Abstract
Neusklađenost modula je jedno od osnovnih tehničkih uskih grla koje ograničavaju poboljšanje efikasnosti proizvodnje energije fotonaponskog (PV) sistema. Njegova suština je "bucket effect" uzrokovan nedosljednim izlaznim strujama PV modula u serijskom kolu. Prema statističkim podacima Međunarodne agencije za energiju (IEA) Photovoltaic Power Systems Program (PVPS), globalni prosječni gubitak proizvodnje električne energije zbog neusklađenosti u PV elektranama kreće se od 5% do 15%, a može čak i premašiti 20% u postrojenjima sa složenim terenom ili lošim radom i održavanjem. Među njima, razlika uglova nagiba je najdominantniji uzrok neusklađenosti u složenim scenarijima instalacije kao što su planinska područja i krovovi, čineći otprilike 40%-60% ukupnih gubitaka neusklađenosti.
1.Osnovni principi i fizički mehanizmi neusklađenosti PV modula
1.1 Električne karakteristike PV modula
Izlazne karakteristike PV modula određene su njegovom trenutnom-naponom (I-V) krivom i krivom napona-napona (P-V). Pod standardnim testnim uslovima (STC: zračenje 1000W/m², temperatura ćelije 25 stepeni, AM1.5 spektar), jedan modul ima jedinstvenu tačku maksimalne snage (MPP).
Struja kratkog{0}}spoja (Isc) fotonaponskog modula je približno proporcionalna sunčevom zračenju koje pada na površinu ćelije, što je osnovna fizička osnova za trenutnu neusklađenost uzrokovanu razlikama u uglovima nagiba. Formula se izražava kao:
Isc ≈ Isc_STC ×(G/GSTC)
gdje:
• Isc: Stvarna struja{0}} kratkog spoja (A)
• Isc_STC: Struja kratkog{1}}spoja u standardnim uslovima ispitivanja (A)
• G: Stvarno upadno zračenje (W/m²)
• G_STC: Standardna testna ozračenost (1000W/m²)
Kada je više modula povezano u nizu u niz, prema Kirchhoffovom trenutnom zakonu,svi moduli u serijskom kolu moraju raditi na istoj struji; dok je ukupan napon niza jednak zbiru radnih napona svakog modula. Ova karakteristika određuje da su serijski sistemi izuzetno osjetljivi na strujne razlike.
1.2 Osnovni mehanizam fenomena neusklađenosti
"Efekat bureta" (također poznat kao "najslabija karika" ili "efekat uskog grla") je savršena analogija za ono što se dešava u serijski{0}}povezanim PV modulima. Zamislite niz bačvi povezanih u lanac, od kojih svaka ima drugačiji kapacitet. Količina vode koja može proći kroz cijeli sistem ograničena je buretom najmanjeg kapaciteta-bez obzira na to koliko su drugi veliki.
U PV nizu moduli su električno povezani u seriju, što znači da ista struja mora teći kroz sve njih. Modul koji prima najmanje zračenja (zbog podoptimalnog ugla) će generisati najnižu struju. Ovo prisiljava struju cijelog niza da odgovara najnižim performansama, uzrokujući da moduli-sa boljim performansama rade ispod svog potencijala. Gubici snage mogu biti značajni, daleko premašujući prost zbir pojedinačnih smanjenja.
2. Glavni uzroci neusklađenosti PV modula
Uzroci neusklađenosti modula su složeni i raznoliki, a mogu se podijeliti u dvije kategorije: kongenitalna neusklađenost i stečena neusklađenost.
2.1 Kongenitalna neusklađenost: tvorničke razlike parametara
Čak i moduli proizvedeni u istoj seriji imaju male razlike u svojim električnim parametrima performansi zbog faktora kao što su čistoća materijala poluvodiča i fluktuacije proizvodnog procesa. Proizvođači modula obično vrše ocjenjivanje snage (biniranje) na modulima, ali moduli unutar istog spremnika napajanja mogu i dalje imati strujne razlike unutar ±2,5%.
Gubitak neusklađenosti uzrokovan takvim fabričkim razlikama parametara je obično 2%-3%, što je osnovni gubitak neusklađenosti koji se ne može u potpunosti izbjeći u svim PV sistemima.
2.2 Stečena neusklađenost: radno okruženje i faktori rada i održavanja
Ovo je glavni razlog zašto je stvarni gubitak neusklađenosti sistema mnogo veći od osnovne vrijednosti, posebno uključujući:
• Nedosljedni uglovi nagiba i uglovi azimuta(u nastavku će biti detaljno analizirano)
• Nepodudaranje senčenja: Fiksno sjenčanje od okolnih zgrada, drveća, planina, itd., i dinamičko sjenčanje od oblaka, ptica itd.
• Neusklađenost zaprljanja i starenja: Neravnomjerno zaprljanje kao što je prašina, snijeg, ptičji izmet na površini modula i razlike u stopama starenja nakon dugotrajnog-radnja
• Neusklađenost temperature: Neujednačene temperature uzrokovane različitim uvjetima odvođenja topline modula
3. dubinski mehanizam i kvantitativna analiza neusklađenosti uzrokovane razlikama u kutovima nagiba
Neusklađenost uglova nagiba odnosi se na nedosljedne uglove nagiba instalacije (ugao između ravnine modula i horizontalne ravnine) različitih modula u istoj seriji niza, što rezultira različitim količinama sunčevog zračenja koje prima svaki modul, a time i razlikama u izlaznoj struji. Ovo je najčešći i lako zanemarljiv tip neusklađenosti u planinskim PV sistemima i distribuiranim krovnim PV sistemima.
3.1 Ključni razlozi zbog kojih razlike u uglovima instalacije to pogoršavaju:
• Varijacija zračenja: Modul nagnut pod drugačijim uglom hvata manje direktne sunčeve svetlosti, posebno tokom vršnih sati. Na primjer, na kosom krovu s različitim nagibima, moduli okrenuti prema jugu-pri optimalnom nagibu mogu imati dobre rezultate, dok drugi pod manjim ili strmim uglovima imaju lošiji učinak.
• Dnevni i sezonski uticaj: Uglovi utiču ne samo na vršnu snagu, već i na performanse tokom dana. Ne-ujednačeni nagibi dovode do neusklađenih IV krivih (trenutne-naponske karakteristike), povećavajući gubitke neusklađenosti.
• Kombinacija sa drugim faktorima: Razlike u uglovima mogu pogoršati efekte senčenja ili temperaturne gradijente, jer se moduli pod lošim uglom mogu drugačije zagrejati.
3.2 Kvantitativna korelacija između razlike uglova nagiba i izlazne struje modula
Možemo kvantifikovati odnos između razlike uglova nagiba i strujne razlike preciznim izračunavanjem ukupne ravni zračenja pri različitim uglovima nagiba. UzimanjeRegion 30 stepeni severne širine(sliv rijeke Jangce u Kini) kao primjer, sljedeća tabela prikazuje godišnje ukupne razlike u ozračenosti i strujama kratkog-spoja za različite uglove nagiba instalacije u odnosu na optimalni ugao nagiba (približno 30 stepeni):
Ugao nagiba instalacije (stepen) | Godišnja ukupna ozračenost (kWh/m²) | Razlika u ozračenosti u odnosu na optimalni ugao 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 regionu od 30 stepeni S geografske širine, za svakih 5 stepeni odstupanja od optimalnog ugla nagiba, godišnje ozračenje se smanjuje za približno 2%-4%, što odgovara smanjenju struje kratkog spoja od 2%-4%.
2. Kada razlika uglova nagiba dostigne 20 stepeni (npr. 30 stepeni naspram 10 stepeni), godišnja razlika struje može premašiti 12%.
3. Trenutne strujne razlike su mnogo veće od godišnjih prosječnih razlika. Na primjer, u podne na ljetni solsticij, solarni ugao nadmorske visine je približno 83,5 stepeni, u tom trenutku direktno zračenje koje prima modul sa uglom nagiba od 10 stepeni je oko 15% veće od onog koje prima modul sa uglom nagiba od 30 stepeni; dok je u podne na zimski solsticij, solarni ugao nadmorske visine približno 36,5 stepeni, a direktno zračenje koje prima modul sa uglom nagiba od 10 stepeni je oko 25% niže od onoga koje prima modul sa uglom nagiba od 30 stepeni.
4. Poređenje glavnih rješenja za neusklađenost modula
U cilju rješavanja problema neusklađenosti modula, u industriji su razvijena različita rješenja čija je osnovna ideja da seprekinuti ograničenje da "serijske struje moraju biti konzistentne"iliminimizirati trenutne razlike.
4.1 Specijalna optimizacija dizajna za neusklađenost ugla nagiba
Ovo je najosnovnije i najjeftinije{0}}rješenje, a također i mjera koju svi projekti prvo trebaju usvojiti:
1. Strogo implementirajte princip "isti ugao nagiba, ista struna".: Ovo je zlatno pravilo za sprečavanje neusklađenosti uglova nagiba. Moduli sa istim uglom nagiba i azimutnim uglom treba da budu povezani serijski u isti niz, a moduli sa različitim uglovima/orijentacijama nagiba nikada ne smeju biti povezani u seriju.
2. Razumno skratite dužinu žice: U područjima sa velikim razlikama u uglovima nagiba, odgovarajuće skraćivanje dužine žice (sa 22-24 modula na 18-20 modula) može smanjiti opseg udara neusklađenosti.
3. Optimizirajte podjelu kanala MPPT pretvarača: Povežite žice iz različitih zona ugla nagiba na različite MPPT kanale, tako da svaki MPPT kanal prati samo maksimalnu tačku snage žica sa istim uglom nagiba.
4.2 String Inverter: Multi-MPPT invertori
Tradicionalni centralni invertori obično imaju samo 1-2 MPPT kanala, dok su moderni žičani pretvarači općenito opremljeni s više nezavisnih MPPT kanala (6-12 ili čak više). Svaki MPPT kanal može nezavisno pratiti tačku maksimalne snage različitih nizova, čime se ograničava uticaj neusklađenosti na jedan MPPT kanal.
Utjecaj na neusklađenost ugla nagiba: Može efikasno riješiti problem neusklađenosti između različitih zona ugla nagiba, ali još uvijek ne može riješiti razlike uglova nagiba unutar žica u istoj zoni.
4.3 Modul-Tehnologija energetske elektronike nivoa (MLPE).
Ovo je trenutno najefikasnije tehničko rješenje za rješavanje neusklađenosti uglova nagiba, uglavnom uključujući optimizatore snage i mikroinvertore:
1. Power Optimizer
Optimizatori napajanja su instalirani na poleđini svakog modula, koji odgovaraju jedan-prema-jedan sa modulima. Može nezavisno podesiti radni napon i struju svakog modula, čineći da svaki modul radi na vlastitoj maksimalnoj tački snage, a zatim ispušta jednosmjernu struju u serijski krug.
Utjecaj na neusklađenost ugla nagiba: Može u potpunosti eliminirati strujnu neusklađenost uzrokovanu bilo kojom razlikom uglova nagiba unutar niza, omogućavajući svakom modulu da ispusti svoju maksimalnu struju. Izmjereni podaci pokazuju da u planinskim elektranama sa velikim razlikama u uglovima nagiba, upotreba optimizatora snage može povećati proizvodnju električne energije za 15%-20%.
2. Mikroinverter
Mikroinvertori su direktno instalirani na poleđini svakog modula, pretvarajući izlaz jednosmerne struje modula direktno u naizmeničnu struju, koja se zatim povezuje paralelno sa mrežom. Svaki modul je nezavisna jedinica za proizvodnju energije, potpuno oslobođena serijskih strujnih ograničenja.
Utjecaj na neusklađenost ugla nagiba: Potpuno rješava sve probleme neusklađenosti uglova nagiba, a svaki modul može raditi nezavisno bez obzira na razliku uglova nagiba.
Naša kompanija može pružiti sva gore navedena rješenja i kompletne sisteme. Ako su vam potrebni, kontaktirajte nas!
Uz kontinuirani napredak fotonaponske tehnologije, rješenja za problem neusklađenosti modula također se stalno inoviraju i razvijaju:
1. Veća efikasnost MLPE tehnologija: Efikasnost konverzije novih-generacijskih optimizatora snage i mikroinvertera je premašila 99%, uz dodatno smanjenu vlastitu-potrošnju energije i kontinuirano smanjenje troškova.
2. Tehnologija pametnih modula: Integracija optimizatora snage ili mikroinvertera sa modulima za formiranje pametnih modula, pojednostavljujući proces instalacije i poboljšavajući pouzdanost sistema.
3. Digitalna tehnologija blizanaca: Koristeći digitalnu twin tehnologiju za izgradnju virtuelnog modela fotonaponske elektrane, precizno simulirajući gubitke neusklađenosti u različitim radnim uvjetima, te ostvarujući rano upozorenje i optimalnu kontrolu.
4. Nova tehnologija baterija: Kao što su moduli sa šindrom, polu-izrezani moduli, rezani moduli, itd., smanjuju utjecaj sjenčanja i neusklađenosti kroz segmentaciju ćelija i optimizirane metode povezivanja. Na primjer, polu-odsječeni moduli mogu smanjiti gubitak energije uzrokovan sjenčanjem za približno 50%.
Neusklađenost modula je neizbežna pojava u fotonaponskim sistemima,među kojima je razlika uglova nagiba glavni uzrok neusklađenosti u složenim scenarijima instalacije, a rezultirajući gubitak proizvodnje električne energije može doseći više od 15%. Razlike uglova nagiba direktno dovode do nekonzistentnih izlaznih struja modula utičući na količinu sunčeve radijacije koju moduli primaju, a zatim ograničavaju proizvodnju energije čitavog niza kroz "efekat bucket" serijskog kola.
Za različite tipove fotonaponskih elektrana, najprikladnije rješenje neusklađenosti treba odabrati prema faktorima kao što su uslovi terena, veličina razlike uglova nagiba i investicioni budžet. Uzemljene-elektrane mogu dati prioritet više-MPPT žičanim inverterima; za složene scenarije kao što su planinska područja i krovovi sa velikim razlikama u uglovima nagiba, tehnologija energetske elektronike na nivou modula će donijeti značajna poboljšanja proizvodnje energije i povrat ulaganja.
