Resum
El desajust dels mòduls és un dels principals colls d'ampolla tècnics que restringeixen la millora de l'eficiència de generació d'energia del sistema fotovoltaic (PV). La seva essència és l'"efecte cub" causat per corrents de sortida inconsistents dels mòduls fotovoltaics en un circuit en sèrie. Segons les estadístiques del Programa de Sistemes d'Energia Fotovoltaica (PVPS) de l'Agència Internacional de l'Energia (IEA), la pèrdua mitjana global de generació d'energia a causa del desajust a les centrals fotovoltaiques oscil·la entre el 5% i el 15%, i fins i tot pot superar el 20% en plantes amb terreny complex o amb mal funcionament i manteniment. Entre ells, la diferència d'angle d'inclinació és la causa més dominant de desajustament en escenaris d'instal·lació complexos, com ara zones muntanyoses i terrats, que representen aproximadament el 40%-60% de les pèrdues totals de desajust.
1.Principis bàsics i mecanismes físics de la manca de concordança dels mòduls fotovoltaics
1.1 Característiques elèctriques dels mòduls fotovoltaics
Les característiques de sortida d'un mòdul fotovoltaic estan determinades per la seva corba de corrent-tensió (I{-V) i la seva corba de potència-tensió (P{-V). En condicions de prova estàndard (STC: irradiància 1000 W/m², temperatura cel·lular 25 graus, espectre AM1.5), un únic mòdul té un punt de potència màxima (MPP) únic.
El corrent de curt-circuit (Isc) d'un mòdul fotovoltaic és aproximadament proporcional a la irradiància solar incident a la superfície de la cèl·lula., que és la base física bàsica del desajust actual causat per diferències d'angle d'inclinació. La fórmula s'expressa com:
Isc ≈ Isc_STC ×(G/GSTC)
On:
• Isc: corrent real de curt{0}circuit (A)
• Isc_STC: corrent de curt-circuit en condicions de prova estàndard (A)
• G: irradiància incident real (W/m²)
• G_STC: irradiància de prova estàndard (1000 W/m²)
Quan es connecten diversos mòduls en sèrie per formar una cadena, segons la Llei actual de Kirchhoff,tots els mòduls d'un circuit en sèrie han de funcionar al mateix corrent; mentre que la tensió total de la cadena és igual a la suma de les tensions de funcionament de cada mòdul. Aquesta característica determina que els sistemes en sèrie siguin extremadament sensibles a les diferències actuals.
1.2 Mecanisme bàsic del fenomen de desajustament
L'"efecte barril" (també conegut com a "enllaç més feble" o "efecte coll d'ampolla") és una analogia perfecta del que passa als mòduls fotovoltaics-connectats en sèrie. Imagineu una sèrie de barrils connectats en una cadena, cadascun amb una capacitat diferent. La quantitat d'aigua que pot fluir per tot el sistema està limitada pel barril amb la capacitat més petita-independentment de la mida dels altres.
En una cadena fotovoltaica, els mòduls estan connectats elèctricament en sèrie, és a dir, el mateix corrent ha de circular per tots ells. El mòdul que rebi la menor irradiància (a causa d'un angle subòptim) generarà el corrent més baix. Això obliga el corrent de tota la cadena a coincidir amb el rendiment més baix, fent que els mòduls de rendiment més alt-operin per sota del seu potencial. Les pèrdues de potència poden ser substancials, superant amb escreix la simple suma de reduccions individuals.
2. Principals causes de la manca de concordança dels mòduls fotovoltaics
Les causes del desajustament dels mòduls són complexes i diverses, i es poden dividir en dues categories: desajust congènit i desajust adquirit.
2.1 Disconcordança congènita: diferències de paràmetres de fàbrica
Fins i tot els mòduls produïts en el mateix lot tenen lleugeres diferències en els seus paràmetres de rendiment elèctric a causa de factors com la puresa del material semiconductors i les fluctuacions del procés de producció. Els fabricants de mòduls solen realitzar la classificació de potència (binning) als mòduls, però els mòduls dins de la mateixa safata d'alimentació encara poden tenir diferències de corrent dins del ±2,5%.
La pèrdua de desajust causada per aquestes diferències de paràmetres de fàbrica sol ser del 2% al 3%, que és una pèrdua de desajust bàsica que no es pot evitar completament en tots els sistemes fotovoltaics.
2.2 Incompatibilitat adquirida: entorn operatiu i factors d'operació i manteniment
Aquesta és la raó principal per la qual la pèrdua de desajust del sistema real és molt més gran que el valor bàsic, incloent-hi específicament:
• Angles d'inclinació i angles d'azimut inconsistents(s'analitzarà en profunditat a continuació)
• Desajust d'ombrejats: S'ha corregit l'ombra d'edificis circumdants, arbres, muntanyes, etc., i ombrejat dinàmic de núvols, ocells, etc.
• La brutícia i l'envelliment no coincideixen: brutícia desigual, com ara pols, neu, excrements d'ocells a la superfície del mòdul i diferències en els índexs d'envelliment després d'un funcionament-a llarg termini.
• Desajust de temperatura: Temperatures desiguals causades per diferents condicions de dissipació de calor dels mòduls
3.-Mecanisme en profunditat i anàlisi quantitativa de la discrepància causada per les diferències d'angle d'inclinació
El desajust de l'angle d'inclinació es refereix als angles d'inclinació de la instal·lació inconsistents (l'angle entre el pla del mòdul i el pla horitzontal) de diferents mòduls de la mateixa cadena de sèrie, donant lloc a diferents quantitats d'irradiància solar rebuda per cada mòdul i, per tant, diferències en el corrent de sortida. Aquest és el tipus de desajust més comú i fàcil de passar per alt en sistemes fotovoltaics muntanyosos i distribuïts de cobertes.
3.1 Les raons principals per les quals les diferències d'angle d'instal·lació agreugen això:
• Variació de la irradiància: Un mòdul inclinat en un angle diferent capta menys la llum solar directa, especialment durant les hores punta. Per exemple, en un sostre inclinat amb diferents inclinacions, els mòduls orientats-al sud amb una inclinació òptima poden tenir un bon rendiment, mentre que altres amb angles menys profunds o inclinats tenen un rendiment inferior.
• Impacte diari i estacional: els angles no només afecten la sortida màxima, sinó també el rendiment durant tot el dia. Les inclinacions no-uniformes condueixen a corbes IV desajustades (característiques de tensió-actuals), augmentant les pèrdues de desajust.
• Composició amb altres factors: Les diferències d'angle poden empitjorar els efectes d'ombrejat o els gradients de temperatura, ja que els mòduls mal inclinats poden escalfar-se de manera diferent.
3.2 Correlació quantitativa entre la diferència d'angle d'inclinació i el corrent de sortida del mòdul
Podem quantificar la relació entre la diferència d'angle d'inclinació i la diferència actual calculant amb precisió la irradiància total del pla a diferents angles d'inclinació. Prenent elRegió de latitud de 30 graus N(la conca del riu Yangtze a la Xina) com a exemple, la taula següent mostra la irradiància total anual i les diferències de corrent de curt{0}}circuit per a diferents angles d'inclinació de la instal·lació en relació amb l'angle d'inclinació òptim (aproximadament 30 graus):
Angle d'inclinació de la instal·lació (grau) | Irradiància total anual (kWh/m²) | Diferència d'irradiància relativa a l'angle d'inclinació òptim (%) | Diferència de corrent de curt-circuit (%) |
| 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 (òptim) | 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 |
Conclusions clau:
1. A la regió de latitud de 30 graus N, per cada desviació de 5 graus de l'angle d'inclinació òptim, la irradiància anual disminueix aproximadament un 2%-4%, corresponent a una disminució del 2%-4% del corrent de curtcircuit.
2. Quan la diferència d'angle d'inclinació arriba als 20 graus (per exemple, 30 graus vs 10 graus), la diferència actual anual pot superar el 12%.
3. Les diferències de corrent instantània són molt més grans que les diferències mitjanes anuals. Per exemple, al migdia del solstici d'estiu, l'angle d'altitud solar és d'aproximadament 83,5 graus, moment en què la irradiància directa rebuda per un mòdul amb un angle d'inclinació de 10 graus és aproximadament un 15% superior a la que rep un mòdul amb un angle d'inclinació de 30 graus; mentre que al migdia del solstici d'hivern, l'angle d'altitud solar és d'aproximadament 36,5 graus, i la irradiància directa rebuda per un mòdul amb un angle d'inclinació de 10 graus és aproximadament un 25% inferior a la que rep un mòdul amb un angle d'inclinació de 30 graus.
4. Comparació de solucions principals per a la manca de concordança de mòduls
Tenint com a objectiu el problema de desajustament de mòduls, s'han desenvolupat diverses solucions a la indústria, la idea principal de la qual éstrencar la restricció que "els corrents en sèrie han de ser coherents"ominimitzar les diferències actuals.
4.1 Optimització especial del disseny per a la desajust de l'angle d'inclinació
Aquesta és la solució més bàsica i de menor cost-, i també la mesura que tots els projectes haurien d'adoptar primer:
1. Implementeu estrictament el principi "mateix angle d'inclinació, mateixa corda".: Aquesta és la regla d'or per evitar que l'angle d'inclinació no coincideixi. Els mòduls amb el mateix angle d'inclinació i angle d'azimut s'han de connectar en sèrie a la mateixa cadena, i els mòduls amb diferents angles/orientacions d'inclinació no s'han de connectar mai en sèrie junts.
2. Escurçar raonablement la longitud de la corda: En zones amb grans diferències d'angle d'inclinació, escurçar adequadament la longitud de la corda (de 22-24 mòduls a 18-20 mòduls) pot reduir el rang d'impacte de desajustament.
3. Optimitzar la divisió de canal MPPT de l'inversor: connecteu cadenes de diferents zones d'angle d'inclinació a diferents canals MPPT, de manera que cada canal MPPT només faci un seguiment del punt de potència màxima de les cadenes amb el mateix angle d'inclinació.
4.2 Inversor de cadena: inversors multi-MPPT
Els inversors centrals tradicionals solen tenir només 1-2 canals MPPT, mentre que els inversors de cadena moderns solen estar equipats amb múltiples canals MPPT independents (6-12 o fins i tot més). Cada canal MPPT pot fer un seguiment independent del punt de potència màxima de diferents cadenes, limitant així l'impacte del desajust a un sol canal MPPT.
Efecte sobre el desajust de l'angle d'inclinació: Pot resoldre eficaçment el problema de desajust entre diferents zones d'angle d'inclinació, però encara no pot resoldre les diferències d'angle d'inclinació dins de les cordes de la mateixa zona.
4.3 Mòdul-Tecnologia d'electrònica de potència a nivell (MLPE).
Aquesta és actualment la solució tècnica més eficaç per resoldre el desajust de l'angle d'inclinació, incloent-hi principalment optimitzadors de potència i microinversors:
1. Optimitzador de potència
Els optimitzadors de potència s'instal·len a la part posterior de cada mòdul, corresponents-a-un amb els mòduls. Pot ajustar de manera independent la tensió i el corrent de funcionament de cada mòdul, fent que cada mòdul funcioni al seu propi punt de potència màxima i, a continuació, emet corrent continu al circuit en sèrie.
Efecte sobre el desajust de l'angle d'inclinació: Pot eliminar completament el desajust de corrent causat per qualsevol diferència d'angle d'inclinació dins de la cadena, permetent que cada mòdul produeixi el seu corrent màxim. Les dades mesurades mostren que a les centrals elèctriques muntanyoses amb grans diferències d'angle d'inclinació, l'ús d'optimitzadors de potència pot augmentar la generació d'energia entre un 15% i un 20%.
2. Microinversor
Els microinversors s'instal·len directament a la part posterior de cada mòdul, convertint la sortida de corrent continu del mòdul directament en corrent altern, que després es connecta en paral·lel a la xarxa. Cada mòdul és una unitat de generació d'energia independent, completament lliure de restriccions de corrent en sèrie.
Efecte sobre el desajust de l'angle d'inclinació: soluciona completament tots els problemes de desajust de l'angle d'inclinació i cada mòdul pot funcionar de manera independent independentment de la diferència d'angle d'inclinació.
La nostra empresa pot proporcionar totes les solucions i sistemes complets esmentats anteriorment. Si els necessiteu, poseu-vos en contacte amb nosaltres!
7. Tendències de desenvolupament futur
Amb l'avenç continu de la tecnologia fotovoltaica, les solucions al problema de desajustament dels mòduls també estan innovant i desenvolupant-se constantment:
1. Tecnologia MLPE de major eficiència: l'eficiència de conversió d'optimitzadors d'energia i microinversors de nova-generació ha superat el 99 %, amb un consum d'energia més reduït-i els costos contínuament disminuïts.
2. Tecnologia de mòduls intel·ligents: Integració d'optimitzadors de potència o microinversors amb mòduls per formar mòduls intel·ligents, simplificant el procés d'instal·lació i millorant la fiabilitat del sistema.
3. Tecnologia digital bessona: Ús de tecnologia digital bessona per construir un model virtual de la central fotovoltaica, simulant amb precisió les pèrdues de desajustament en diferents condicions de treball i realitzant una alerta primerenca i un control òptim.
4. Nova tecnologia de bateries: com ara els mòduls amb teules, els mòduls tallats a la meitat-, els mòduls en rodanxes, etc., redueixen l'impacte de l'ombrejat i el desajust mitjançant la segmentació cel·lular i els mètodes de connexió optimitzats. Per exemple, els mòduls-tallats a la meitat poden reduir aproximadament un 50% la pèrdua d'energia causada per l'ombra.
El desajust dels mòduls és un fenomen inevitable en els sistemes fotovoltaics,entre els quals la diferència d'angle d'inclinació és la principal causa de desajust en escenaris d'instal·lació complexos, i la pèrdua de generació d'energia resultant pot arribar a més del 15%. Les diferències d'angle d'inclinació condueixen directament a corrents de sortida inconsistents dels mòduls, ja que afecten la quantitat d'irradiància solar rebuda pels mòduls i, a continuació, limiten la generació d'energia de tota la cadena mitjançant l'"efecte cub" del circuit en sèrie.
Per a diferents tipus de centrals fotovoltaiques, s'ha de seleccionar la solució de desajustament més adequada segons factors com ara les condicions del terreny, la mida de la diferència d'angle d'inclinació i el pressupost d'inversió. Les centrals elèctriques-muntades a terra poden donar prioritat als inversors de cadena multi{-MPPT; per a escenaris complexos, com ara zones muntanyoses i terrats amb grans diferències d'angle d'inclinació, la tecnologia d'electrònica de potència a nivell de mòdul-aportarà millores importants en la generació d'energia i rendiments de la inversió.
