Abstrakt
Moduluoverensstemmelse er en af de centrale tekniske flaskehalse, der begrænser forbedringen af effektiviteten af energiproduktionen i fotovoltaiske (PV) systemer. Dens essens er "spandeffekten" forårsaget af inkonsistente udgangsstrømme fra PV-moduler i et seriekredsløb. Ifølge statistikker fra Det Internationale Energiagentur (IEA) Photovoltaic Power Systems Program (PVPS) varierer det globale gennemsnitlige elproduktionstab på grund af mismatch i PV-kraftværker fra 5 % til 15 % og kan endda overstige 20 % i anlæg med komplekst terræn eller dårlig drift og vedligeholdelse. Blandt dem er vippevinkelforskellen den mest dominerende årsag til mismatch i komplekse installationsscenarier såsom bjergområder og hustage, hvilket tegner sig for cirka 40%-60% af det samlede mismatchtab.
1.Grundlæggende principper og fysiske mekanismer for PV-modulmismatch
1.1 Elektriske egenskaber for PV-moduler
Udgangsegenskaberne for et PV-modul bestemmes af dets aktuelle-spændingskurve (I-V) og effekt-spændingskurve (P-V). Under standard testbetingelser (STC: irradians 1000W/m², celletemperatur 25 grader, AM1.5 spektrum), har et enkelt modul et unikt maksimalt effektpunkt (MPP).
Kortslutningsstrømmen (Isc) af et PV-modul er omtrent proportional med solindstrålingen på celleoverfladen, som er det grundlæggende fysiske grundlag for strømmismatch forårsaget af hældningsvinkelforskelle. Formlen er udtrykt som:
Isc ≈ Isc_STC ×(G/GSTC)
Hvor:
• Isc: Faktisk kort-kredsløbsstrøm (A)
• Isc_STC: Kortslutt-strøm under standard testbetingelser (A)
• G: Faktisk hændt irradians (W/m²)
• G_STC: Standard test irradians (1000W/m²)
Når flere moduler er forbundet i serie for at danne en streng, ifølge Kirchhoffs nuværende lov,alle moduler i et seriekredsløb skal køre med samme strøm; mens strengens samlede spænding er lig med summen af hvert moduls driftsspændinger. Denne egenskab bestemmer, at seriesystemer er ekstremt følsomme over for strømforskelle.
1.2 Kernemekanismen for mismatch-fænomenet
"Tøndeeffekten" (også kendt som det "svageste led" eller "flaskehalseffekt") er en perfekt analogi til, hvad der sker i serieforbundne-PV-moduler. Forestil dig en række tønder forbundet i en kæde, hver med en forskellig kapacitet. Mængden af vand, der kan strømme gennem hele systemet, er begrænset af tønden med den mindste kapacitet-uanset hvor store de andre er.
I en PV-streng er moduler elektrisk forbundet i serie, hvilket betyder, at den samme strøm skal strømme gennem dem alle. Modulet, der modtager den mindste irradians (på grund af en suboptimal vinkel), vil generere den laveste strøm. Dette tvinger hele strengens strøm til at matche den laveste ydeevne, hvilket får de højest ydende moduler til at fungere under deres potentiale. Strømtab kan være betydelige, langt over den simple sum af individuelle reduktioner.
2. Hovedårsager til PV-modulets uoverensstemmelse
Årsagerne til modulmismatch er komplekse og mangfoldige og kan opdeles i to kategorier: medfødt mismatch og erhvervet mismatch.
2.1 Medfødt uoverensstemmelse: Fabriksparameterforskelle
Selv moduler produceret i samme batch har små forskelle i deres elektriske ydeevneparametre på grund af faktorer som halvlederens materialerenhed og produktionsprocessvingninger. Modulproducenter udfører normalt strømklassificering (binning) på moduler, men moduler inden for den samme strømbeholder kan stadig have strømforskelle inden for ±2,5 %.
Mismatchtabet forårsaget af sådanne fabriksparameterforskelle er normalt 2%-3%, hvilket er et grundlæggende mismatchtab, som ikke helt kan undgås i alle PV-systemer.
2.2 Erhvervet mismatch: Driftsmiljø og drifts- og vedligeholdelsesfaktorer
Dette er hovedårsagen til, at det faktiske systemmismatch-tab er meget større end den grundlæggende værdi, specifikt herunder:
• Inkonsekvente hældningsvinkler og azimutvinkler(vil blive analyseret i dybden nedenfor)
• Skygge uoverensstemmelse: Fast skygge fra omkringliggende bygninger, træer, bjerge osv. og dynamisk skygge fra skyer, fugle mv.
• Tilsmudsning og aldring passer ikke sammen: Ujævn tilsmudsning såsom støv, sne, fugleklatter på modulets overflade og forskelle i ældningshastigheder efter lang-drift
• Temperatur uoverensstemmelse: Ujævne temperaturer forårsaget af forskellige varmeafledningsforhold for moduler
3. Dybde-mekanisme og kvantitativ analyse af uoverensstemmelse forårsaget af hældningsvinkelforskelle
Tilt angle mismatch refererer til de inkonsistente installations vippevinkler (vinklen mellem modulplanet og det vandrette plan) af forskellige moduler i den samme seriestreng, hvilket resulterer i forskellige mængder solindstråling modtaget af hvert modul og dermed forskelle i udgangsstrøm. Dette er den mest almindelige og let oversete type mismatch i bjergrige solcelleanlæg og distribuerede solcelleanlæg på taget.
3.1 Vigtigste årsager til, at forskelle i installationsvinkler forværrer dette:
• Bestrålingsvariation: Et modul vippet i en anden vinkel fanger mindre direkte sollys, især i myldretiden. På et skrånende tag med varierende hældninger kan sydvendte-moduler med optimal hældning muligvis fungere godt, mens andre ved lavvandede eller stejlere vinkler underpræsterer.
• Daglig og sæsonbestemt påvirkning: Vinkler påvirker ikke kun det maksimale output, men ydeevnen hen over dagen. Ikke-ensartede hældninger fører til uoverensstemmende IV-kurver (aktuelle-spændingsegenskaber), hvilket øger uoverensstemmelsestab.
• Sammenblanding med andre faktorer: Vinkelforskelle kan forværre skyggeeffekter eller temperaturgradienter, da dårligt vinklede moduler kan opvarme forskelligt.
3.2 Kvantitativ korrelation mellem hældningsvinkelforskel og moduludgangsstrøm
Vi kan kvantificere forholdet mellem hældningsvinkelforskel og strømforskel ved nøjagtigt at beregne den samlede planbestråling ved forskellige hældningsvinkler. At tage30 grader N breddegrad område(Yangtze-flodbassinet i Kina) som eksempel viser følgende tabel den årlige samlede irradians og kortslutningsstrømforskelle for forskellige installationsvinkler i forhold til den optimale hældningsvinkel (ca. 30 grader):
Installation Vippevinkel (grad) | Årlig total bestråling (kWh/m²) | Bestrålingsforskel i forhold til optimal hældningsvinkel (%) | Kort-strømforskel (%) |
| 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 (Optimal) | 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 |
Nøglekonklusioner:
1. I 30 grader N breddegradsregionen, for hver 5 graders afvigelse fra den optimale hældningsvinkel, falder den årlige irradians med cirka 2 %-4 %, svarende til et fald på 2 %-4 % i kortslutningsstrømmen.
2. Når hældningsvinkelforskellen når 20 grader (f.eks. 30 grader vs 10 grader), kan den årlige strømforskel overstige 12 %.
3. Øjeblikkelige strømforskelle er meget større end årlige gennemsnitlige forskelle. For eksempel ved middagstid på sommersolhverv er solhøjdevinklen ca. 83,5 grader, på hvilket tidspunkt den direkte irradians modtaget af et modul med en 10 graders hældningsvinkel er omkring 15% højere end den, der modtages af et modul med en 30 graders hældningsvinkel; mens ved middagstid på vintersolhverv er solhøjdevinklen cirka 36,5 grader, og den direkte irradians, der modtages af et modul med en 10 graders hældningsvinkel, er omkring 25 % lavere end den, der modtages af et modul med en 30 graders hældningsvinkel.
4. Sammenligning af almindelige løsninger til modulmismatch
Med henblik på modulmismatchproblemet er der udviklet forskellige løsninger i branchen, hvis kerneidé er atbryde begrænsningen om, at "seriestrømme skal være konsistente"ellerminimere nuværende forskelle.
4.1 Speciel designoptimering for misforhold til hældningsvinkel
Dette er den mest grundlæggende og laveste-omkostningsløsning, og også den foranstaltning, som alle projekter først bør anvende:
1. Implementer strengt "samme hældningsvinkel, samme streng"-princippet: Dette er den gyldne regel for at forhindre uoverensstemmelse med hældningsvinklen. Moduler med samme hældningsvinkel og azimutvinkel bør seriekobles i samme streng, og moduler med forskellige hældningsvinkler/orienteringer må aldrig seriekobles.
2. Forkort strenglængden rimeligt: I områder med store hældningsvinkler kan en passende afkortning af strenglængden (fra 22-24 moduler til 18-20 moduler) reducere stødområdet for mismatch.
3. Optimer inverterens MPPT-kanalopdeling: Forbind strenge fra forskellige tilt-vinkelzoner til forskellige MPPT-kanaler, så hver MPPT-kanal kun sporer det maksimale effektpunkt for strenge med samme hældningsvinkel.
Kina Ground Solar PV System Manufacturers Suppliers Factory - Engrosservice - Dongshuo New Energy
4.2 String inverter: Multi-MPPT-invertere
Traditionelle centrale invertere har normalt kun 1-2 MPPT-kanaler, mens moderne strenginvertere generelt er udstyret med flere uafhængige MPPT-kanaler (6-12 eller endnu mere). Hver MPPT-kanal kan uafhængigt spore det maksimale effektpunkt for forskellige strenge, hvilket begrænser virkningen af mismatch til en enkelt MPPT-kanal.
Virkning på misforhold til hældningsvinklen: Kan effektivt løse misforholdsproblemet mellem forskellige hældningsvinkelzoner, men kan stadig ikke løse tiltvinkelforskellene inden for strenge i samme zone.
Kina Ground Solar PV System Manufacturers Suppliers Factory - Engrosservice - Dongshuo New Energy
4.3 Module-Level Power Electronics (MLPE)-teknologi
Dette er i øjeblikket den mest effektive tekniske løsning til at løse tilt-vinkelmismatch, hovedsageligt inklusive strømoptimering og mikroinvertere:
1. Power Optimizer
Power optimizers er installeret på bagsiden af hvert modul, svarende til en-til-en med modulerne. Den kan uafhængigt justere driftsspændingen og strømmen for hvert modul, hvilket får hvert modul til at arbejde ved sit eget maksimale effektpunkt og derefter udsende jævnstrøm til seriekredsløbet.
Virkning på misforhold til hældningsvinklen: Kan fuldstændigt eliminere strømmisforhold forårsaget af enhver hældningsvinkelforskel i strengen, hvilket gør det muligt for hvert modul at udsende sin maksimale strøm. Målte data viser, at i bjergrige kraftværker med store hældningsvinkler kan brugen af strømoptimering øge elproduktionen med 15%-20%.
2. Mikroinverter
Mikroinvertere installeres direkte på bagsiden af hvert modul, og konverterer modulets jævnstrøm direkte til vekselstrøm, som derefter forbindes parallelt med nettet. Hvert modul er en uafhængig strømgenereringsenhed, fuldstændig fri for seriestrømsbegrænsninger.
Virkning på misforhold til hældningsvinklen: Løser fuldstændigt alle problemer med tilt vinkel mismatch, og hvert modul kan arbejde uafhængigt uanset tilt vinkel forskellen.
Vores virksomhed kan levere alle de ovennævnte løsninger og komplette systemer. Hvis du har brug for dem, så kontakt os venligst!
7. Fremtidige udviklingstendenser
Med den kontinuerlige udvikling af PV-teknologi, er løsninger på modulmismatch-problemet også konstant fornyet og udviklet:
1. Højere effektivitet MLPE-teknologi: Konverteringseffektiviteten for den nye-generations strømoptimering og mikroinvertere har oversteget 99 %, med yderligere reduceret selv-strømforbrug og konstant faldende omkostninger.
2. Smart modulteknologi: Integrering af strømoptimeringer eller mikroinvertere med moduler for at danne smarte moduler, forenkle installationsprocessen og forbedre systemets pålidelighed.
3. Digital tvillingteknologi: Brug af digital tvillingteknologi til at bygge en virtuel model af PV-kraftværket, nøjagtig simulering af mismatchtab under forskellige arbejdsforhold og realisere tidlig advarsel og optimal kontrol.
4. Ny batteriteknologi: Såsom shingled-moduler, halvt-skårne moduler, opskårne moduler osv., reducerer virkningen af skygge og mismatch gennem cellesegmentering og optimerede forbindelsesmetoder. For eksempel kan halvt-skåret moduler reducere strømtab forårsaget af skygge med ca. 50 %.
Modulmismatch er et uundgåeligt fænomen i PV-systemer,hvoriblandt hældningsvinkelforskel er hovedårsagen til misforhold i komplekse installationsscenarier, og det resulterende strømproduktionstab kan nå mere end 15%. Tilt-vinkelforskelle fører direkte til inkonsistente udgangsstrømme fra moduler ved at påvirke mængden af solindstråling, der modtages af modulerne, og derefter begrænse strømproduktionen af hele strengen gennem "bucket-effekten" af seriekredsløbet.
For forskellige typer PV-kraftværker bør den mest passende mismatch-løsning vælges i henhold til faktorer som terrænforhold, hældningsvinkelforskelstørrelse og investeringsbudget. Jordmonterede-kraftværker kan prioritere multi-MPPT-strenginvertere; til komplekse scenarier som f.eks. bjergområder og hustage med store hældningsvinkler, vil modul-kraftelektronikteknologi medføre betydelige forbedringer af strømproduktionen og investeringsafkast.
