چکیده
عدم تطابق ماژول ها یکی از گلوگاه های فنی اصلی است که بهبود راندمان تولید برق سیستم فتوولتائیک (PV) را محدود می کند. ماهیت آن "اثر سطل" ناشی از جریان های خروجی ناسازگار ماژول های PV در یک مدار سری است. طبق آمار آژانس بین‌المللی انرژی (IEA) برنامه سیستم‌های برق فتوولتائیک (PVPS)، میانگین جهانی تلفات تولید برق به دلیل عدم تطابق در نیروگاه‌های PV بین 5 تا 15 درصد است و حتی می‌تواند در نیروگاه‌هایی با زمین پیچیده یا عملکرد و نگهداری ضعیف از 20 درصد فراتر رود. در میان آنها، تفاوت زاویه شیب غالب ترین علت عدم تطابق در سناریوهای نصب پیچیده مانند مناطق کوهستانی و پشت بام است که تقریباً 60-40 درصد از کل تلفات عدم تطابق را شامل می شود.
1.اصول اولیه و مکانیسم های فیزیکی عدم تطابق ماژول PV
1.1 ویژگی های الکتریکی ماژول های PV
ویژگی های خروجی یک ماژول PV توسط منحنی -ولتاژ (I-V) جریان و منحنی ولتاژ قدرت- (P{3}}V) آن تعیین می شود. تحت شرایط تست استاندارد (STC: تابش 1000W/m²، دمای سلول 25 درجه، طیف AM1.5)، یک ماژول واحد دارای حداکثر نقطه توان منحصر به فرد (MPP) است.
جریان اتصال کوتاه (Isc) یک ماژول PV تقریباً متناسب با تابش خورشیدی است که در سطح سلول وارد می شود.، که مبنای فیزیکی اصلی برای عدم تطابق جریان ناشی از اختلاف زاویه شیب است. فرمول به صورت زیر بیان می شود:
Isc ≈ Isc_STC ×(G/GSTC)
کجا:
• Isc: جریان مدار کوتاه-واقعی (A)
• Isc_STC: جریان اتصال کوتاه- تحت شرایط تست استاندارد (A)
• G: تابش واقعی حادثه (W/m²)
• G_STC: تابش تست استاندارد (1000W/m²)
وقتی چندین ماژول به صورت سری به هم متصل می شوند تا یک رشته را تشکیل دهند، طبق قانون فعلی کیرشهوف،تمام ماژول های یک مدار سری باید با جریان یکسانی کار کنند; در حالی که کل ولتاژ رشته برابر است با مجموع ولتاژهای کاری هر ماژول. این مشخصه مشخص می کند که سیستم های سری نسبت به تفاوت های فعلی بسیار حساس هستند.
1.2 مکانیسم اصلی پدیده عدم تطابق
"اثر بشکه" (همچنین به عنوان "ضعیف ترین پیوند" یا "اثر گلوگاه" شناخته می شود) یک قیاس کامل برای آنچه در ماژول های PV سری- متصل می شود، می باشد. مجموعه‌ای از بشکه‌ها را تصور کنید که در یک زنجیر به هم متصل شده‌اند که هر کدام ظرفیت متفاوتی دارند. مقدار آبی که می تواند در کل سیستم جریان یابد توسط بشکه ای با کمترین ظرفیت محدود می شود-بدون توجه به اینکه بقیه چقدر بزرگ هستند.
در یک رشته PV، ماژول ها به صورت سری به هم متصل می شوند، به این معنی که جریان یکسانی باید از همه آنها عبور کند. ماژولی که کمترین تابش را دریافت می کند (به دلیل زاویه نابهینه) کمترین جریان را تولید می کند. این باعث می‌شود که جریان کل رشته با کمترین عملکرد مطابقت داشته باشد، و باعث می‌شود که ماژول‌های-با عملکرد پایین‌تر از پتانسیل خود عمل کنند. تلفات توان می تواند قابل توجه باشد و بسیار بیشتر از مجموع ساده کاهش های فردی باشد.
2. علل اصلی عدم تطابق ماژول PV
علل عدم تطابق ماژول ها پیچیده و متنوع هستند و می توان آنها را به دو دسته تقسیم کرد: عدم تطابق مادرزادی و عدم تطابق اکتسابی.
2.1 عدم تطابق مادرزادی: تفاوت پارامترهای کارخانه
حتی ماژول های تولید شده در همان دسته به دلیل عواملی مانند خلوص مواد نیمه هادی و نوسانات فرآیند تولید، تفاوت های جزئی در پارامترهای عملکرد الکتریکی خود دارند. سازندگان ماژول‌ها معمولاً درجه‌بندی توان (binning) را روی ماژول‌ها انجام می‌دهند، اما ماژول‌هایی که در همان سطل پاور باین قرار دارند، ممکن است همچنان اختلاف جریان بین ± 2.5٪ داشته باشند.
تلفات عدم تطابق ناشی از چنین تفاوت پارامترهای کارخانه معمولاً 2٪ -3٪ است که یک تلفات عدم تطابق اساسی است که نمی توان به طور کامل در همه سیستم های PV از آن جلوگیری کرد.
2.2 عدم تطابق اکتسابی: محیط عملیاتی و عوامل عملیاتی و نگهداری
این دلیل اصلی است که چرا تلفات عدم تطابق واقعی سیستم بسیار بزرگتر از مقدار اصلی است، به ویژه از جمله:
• زوایای شیب و زوایای آزیموت ناسازگار(در زیر به طور عمیق مورد تجزیه و تحلیل قرار خواهد گرفت)
• عدم تطابق سایه ها: سایه زنی ثابت از ساختمان های اطراف، درختان، کوه ها و غیره و سایه اندازی پویا از ابرها، پرندگان و غیره.
• عدم تطابق خاک و پیری: کثیفی ناهموار مانند گرد و غبار، برف، فضولات پرندگان روی سطح ماژول، و تفاوت در میزان پیری پس از کارکرد طولانی مدت-
• عدم تطابق دما: دمای ناهموار ناشی از شرایط مختلف اتلاف حرارت ماژول ها
3. مکانیزم عمیق- و تجزیه و تحلیل کمی عدم تطابق ناشی از تفاوت زاویه شیب
عدم تطابق زاویه شیب به زوایای شیب نصب ناسازگار (زاویه بین صفحه ماژول و صفحه افقی) مدول های مختلف در رشته های سری یکسان اشاره دارد که در نتیجه مقادیر متفاوتی از تابش خورشیدی دریافت شده توسط هر ماژول و در نتیجه تفاوت در جریان خروجی ایجاد می شود. این رایج‌ترین نوع عدم تطابق در سیستم‌های PV کوهستانی و سیستم‌های PV پشت بام است که به راحتی نادیده گرفته می‌شود.
3.1 دلایل اصلی تفاوت زاویه نصب این امر را تشدید می کند:
• تنوع تابش: یک ماژول کج شده در یک زاویه متفاوت، نور مستقیم خورشید را کمتر به ویژه در ساعات اوج مصرف جذب می کند. برای مثال، در سقف‌های شیب‌دار با شیب‌های متفاوت، ماژول‌های{1} رو به جنوب با شیب بهینه ممکن است عملکرد خوبی داشته باشند، در حالی که بقیه در زوایای کم‌عمق‌تر یا تندتر عملکرد ضعیف‌تری دارند.
• تاثیر روزانه و فصلی: زوایا نه تنها بر اوج خروجی بلکه بر عملکرد در طول روز تأثیر می‌گذارند. شیب‌های غیریکنواخت منجر به منحنی‌های IV (ویژگی‌های ولتاژ جریان-) و تلفات عدم تطابق می‌شود.
• ترکیب با سایر عوامل: تفاوت زاویه می تواند اثرات سایه یا گرادیان دما را بدتر کند، زیرا ماژول های با زاویه ضعیف ممکن است متفاوت گرم شوند..
3.2 همبستگی کمی بین تفاوت زاویه شیب و جریان خروجی ماژول
ما می توانیم با محاسبه دقیق تابش کل صفحه در زوایای شیب مختلف، رابطه بین تفاوت زاویه شیب و اختلاف جریان را کمی کنیم. گرفتنمنطقه عرض جغرافیایی 30 درجه شمالی(حوضه رودخانه یانگ تسه در چین) به عنوان مثال، جدول زیر تفاوت تابش کل سالانه و{0}}تفاوت جریان مدار کوتاه را برای زوایای مختلف شیب نصب نسبت به زاویه شیب بهینه (تقریباً 30 درجه) نشان می‌دهد:
زاویه شیب نصب (مدرک تحصیلی) | تابش کل سالانه (کیلووات ساعت بر متر مربع) | تفاوت تابش نسبت به زاویه شیب بهینه (%) | {0}}تفاوت جریان مدار کوتاه (%) |
| 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 (بهینه) | 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 |
نتیجه گیری های کلیدی:
1. در ناحیه عرض جغرافیایی 30 درجه شمالی، به ازای هر 5 درجه انحراف از زاویه شیب بهینه، تابش سالانه تقریباً 2%-4% کاهش می‌یابد که مربوط به کاهش 2٪ -4٪ در جریان اتصال کوتاه است.
2. هنگامی که اختلاف زاویه شیب به 20 درجه می رسد (به عنوان مثال، 30 درجه در مقابل 10 درجه)، اختلاف جریان سالانه می تواند از 12٪ تجاوز کند.
3. اختلاف جریان لحظه ای بسیار بیشتر از اختلاف میانگین سالانه است. به عنوان مثال، در ظهر در انقلاب تابستانی، زاویه ارتفاع خورشیدی تقریباً 83.5 درجه است، در این زمان تابش مستقیم دریافت شده توسط یک مدول با زاویه شیب 10 درجه، حدود 15٪ بیشتر از تابش دریافت شده توسط یک مدول با زاویه شیب 30 درجه است. در حالی که در ظهر انقلاب زمستانی، زاویه ارتفاع خورشیدی تقریباً 36.5 درجه است و تابش مستقیم دریافت شده توسط یک مدول با زاویه شیب 10 درجه، حدود 25٪ کمتر از یک مدول با زاویه شیب 30 درجه است.
4. مقایسه راه حل های اصلی برای عدم تطابق ماژول ها
با هدف مشکل عدم تطابق ماژول، راه حل های مختلفی در صنعت توسعه داده شده است که ایده اصلی آنها این استاین محدودیت را بشکنید که "جریان های سری باید سازگار باشند"یااختلاف فعلی را به حداقل برسانید.
4.1 بهینه سازی طراحی ویژه برای عدم تطابق زاویه شیب
این ابتدایی‌ترین و کم‌هزینه‌ترین راه‌حل، و همچنین معیاری است که همه پروژه‌ها ابتدا باید اتخاذ کنند:
1. اصل "زاویه شیب یکسان، همان رشته" را به شدت اجرا کنید: این قانون طلایی برای جلوگیری از عدم تطابق زاویه شیب است. ماژول هایی با زاویه شیب و زاویه آزیموت یکسان باید به صورت سری در یک رشته به هم متصل شوند و ماژول هایی با زاویه/جهت شیب متفاوت هرگز نباید به صورت سری به یکدیگر متصل شوند.
2. به طور منطقی طول رشته را کوتاه کنید: در مناطقی با اختلاف زاویه شیب زیاد، کوتاه کردن مناسب طول رشته (از 22-24 ماژول به 18-20 ماژول) می تواند دامنه تاثیر عدم تطابق را کاهش دهد.
3. تقسیم کانال MPPT اینورتر را بهینه کنید: رشته ها را از مناطق مختلف زاویه شیب به کانال های MPPT مختلف متصل کنید، به طوری که هر کانال MPPT تنها حداکثر نقطه توان رشته ها را با زاویه شیب یکسان ردیابی کند.
کارخانه تولید کنندگان سیستم فتوولتائیک خورشیدی زمینی چین - خدمات عمده فروشی - Dongshuo New Energy
4.2 اینورتر رشته: اینورترهای چند-MPPT
اینورترهای مرکزی سنتی معمولاً فقط 1-2 کانال MPPT دارند، در حالی که اینورترهای رشته ای مدرن معمولاً به چندین کانال MPPT مستقل مجهز هستند.6-12 یا حتی بیشتر). هر کانال MPPT می تواند به طور مستقل حداکثر نقطه توان رشته های مختلف را ردیابی کند، بنابراین تأثیر عدم تطابق را به یک کانال MPPT محدود می کند.
تأثیر بر عدم تطابق زاویه شیب: می تواند به طور موثر مشکل عدم تطابق بین مناطق مختلف زاویه شیب را حل کند، اما هنوز نمی تواند تفاوت زاویه شیب را در رشته ها در همان منطقه حل کند.
کارخانه تولید کنندگان سیستم فتوولتائیک خورشیدی زمینی چین - خدمات عمده فروشی - Dongshuo New Energy
4.3 ماژول-فناوری الکترونیک قدرت سطح (MLPE).
این در حال حاضر موثرترین راه حل فنی برای حل عدم تطابق زاویه شیب است که عمدتاً شامل بهینه سازهای قدرت و میکرواینورترها می شود:
1. Power Optimizer
بهینه‌سازهای قدرت در پشت هر ماژول نصب می‌شوند که یک-به-یکی با ماژول‌ها مطابقت دارد. این می تواند به طور مستقل ولتاژ و جریان عملیاتی هر ماژول را تنظیم کند و باعث شود هر ماژول در نقطه حداکثر توان خود کار کند و سپس جریان مستقیم را به مدار سری ارسال کند.
تأثیر بر عدم تطابق زاویه شیب: می تواند به طور کامل عدم تطابق جریان ناشی از هر گونه اختلاف زاویه شیب در رشته را از بین ببرد، و به هر ماژول اجازه می دهد حداکثر جریان خود را تولید کند. داده های اندازه گیری شده نشان می دهد که در نیروگاه های کوهستانی با اختلاف زاویه شیب زیاد، استفاده از بهینه سازهای توان می تواند تولید برق را 15 تا 20 درصد افزایش دهد.
2. میکرو اینورتر
میکرواینورترها مستقیماً در پشت هر ماژول نصب می شوند و جریان مستقیم خروجی توسط ماژول را مستقیماً به جریان متناوب تبدیل می کنند که سپس به صورت موازی به شبکه متصل می شود. هر ماژول یک واحد تولید برق مستقل است که کاملاً عاری از محدودیت های جریان سری است.
تأثیر بر عدم تطابق زاویه شیب: تمام مشکلات عدم تطابق زاویه شیب را به طور کامل حل می کند و هر ماژول می تواند بدون توجه به تفاوت زاویه شیب به طور مستقل کار کند.
شرکت ما می تواند تمام راه حل ها و سیستم های کامل ذکر شده در بالا را ارائه دهد. اگر به آنها نیاز دارید، لطفا با ما تماس بگیرید!
با پیشرفت مداوم فناوری PV، راه‌حل‌هایی برای مشکل عدم تطابق ماژول‌ها نیز دائما در حال نوآوری و توسعه هستند:
1. فناوری MLPE با راندمان بالاتر: راندمان تبدیل-بهینه سازهای برق نسل جدید و میکرواینورترها با کاهش بیشتر مصرف برق و کاهش مداوم هزینه ها از 99% فراتر رفته است.
2. فناوری ماژول هوشمند: یکپارچه سازی بهینه سازهای قدرت یا میکرواینورترها با ماژول ها برای تشکیل ماژول های هوشمند، ساده سازی فرآیند نصب و بهبود قابلیت اطمینان سیستم.
3. فناوری دوقلو دیجیتال: استفاده از فناوری دوقلوی دیجیتال برای ساخت مدل مجازی نیروگاه فتوولتاییک، شبیه سازی دقیق تلفات عدم تطابق در شرایط کاری مختلف و تحقق هشدار اولیه و کنترل بهینه.
4. تکنولوژی جدید باتری: مانند ماژول‌های شینگل، ماژول‌های نیمه برش-، ماژول‌های برش‌خورده، و غیره، تأثیر سایه‌زنی و عدم تطابق را از طریق تقسیم سلولی و روش‌های اتصال بهینه‌سازی شده کاهش می‌دهند. به عنوان مثال، ماژول‌های نیمه برش{3} می‌توانند تلفات برق ناشی از سایه‌زنی را تا حدود 50% کاهش دهند.
عدم تطابق ماژول ها یک پدیده اجتناب ناپذیر در سیستم های PV است.که در میان آنها تفاوت زاویه شیب عامل اصلی عدم تطابق در سناریوهای نصب پیچیده است، و در نتیجه تلفات تولید برق می تواند به بیش از 15٪ برسد. تفاوت زاویه شیب مستقیماً با تأثیر بر میزان تابش خورشیدی دریافتی توسط ماژول ها منجر به جریان های خروجی ناسازگار ماژول ها می شود و سپس تولید برق کل رشته را از طریق "اثر سطل" مدار سری محدود می کند.
برای انواع مختلف نیروگاه های PV، مناسب ترین راه حل عدم تطابق باید با توجه به عواملی مانند شرایط زمین، اندازه اختلاف زاویه شیب و بودجه سرمایه گذاری انتخاب شود. نیروگاه‌های زمینی-می‌توانند به اینورترهای چند رشته‌ای MPPT اولویت بدهند. برای سناریوهای پیچیده مانند مناطق کوهستانی و پشت بام‌ها با تفاوت زاویه شیب زیاد، فناوری الکترونیک قدرت سطح ماژول‌ها پیشرفت‌های قابل‌توجهی در تولید برق و بازگشت سرمایه به همراه خواهد داشت.
