Abstrakt
Modulmismatch er en av de viktigste tekniske flaskehalsene som begrenser forbedringen av energiproduksjonseffektiviteten i fotovoltaiske (PV) system. Dens essens er "bøtteeffekten" forårsaket av inkonsekvente utgangsstrømmer fra PV-moduler i en seriekrets. I følge statistikk fra International Energy Agency (IEA) Photovoltaic Power Systems Program (PVPS), varierer det globale gjennomsnittlige kraftproduksjonstapet på grunn av misforhold i PV-kraftverk fra 5 % til 15 %, og kan til og med overstige 20 % i anlegg med komplekst terreng eller dårlig drift og vedlikehold. Blant dem er forskjell i tiltvinkel den mest dominerende årsaken til misforhold i komplekse installasjonsscenarier som fjellområder og hustak, og står for omtrent 40–60 % av det totale misforholdstapet.
1.Grunnleggende prinsipper og fysiske mekanismer for PV-modulfeil
1.1 Elektriske egenskaper til PV-moduler
Utgangsegenskapene til en PV-modul bestemmes av dens nåværende-spenning (I-V) kurve og effekt-spenning (P-V) kurve. Under standard testbetingelser (STC: irradians 1000W/m², celletemperatur 25 grader, AM1.5 spektrum), har en enkelt modul et unikt maksimalt kraftpunkt (MPP).
Kortslutningsstrømmen (Isc) til en PV-modul er omtrent proporsjonal med solinnstrålingen på celleoverflaten, som er det kjernefysiske grunnlaget for strømmistilpasning forårsaket av tiltvinkelforskjeller. Formelen er uttrykt som:
Isc ≈ Isc_STC ×(G/GSTC)
Hvor:
• Isc: Faktisk kortslutt-strøm (A)
• Isc_STC: Kortslutt-strøm under standard testforhold (A)
• G: Faktisk hendelsesbestråling (W/m²)
• G_STC: Standard test irradians (1000W/m²)
Når flere moduler er koblet i serie for å danne en streng, i henhold til Kirchhoffs gjeldende lov,alle moduler i en seriekrets må operere med samme strøm; mens den totale spenningen til strengen er lik summen av driftsspenningene til hver modul. Denne egenskapen bestemmer at seriesystemer er ekstremt følsomme for strømforskjeller.
1.2 Kjernemekanisme for feiltilpasningsfenomenet
«Tønneeffekten» (også kjent som «den svakeste lenken» eller «flaskehalseffekten») er en perfekt analogi for hva som skjer i seriekoblede-PV-moduler. Se for deg en serie tønner koblet sammen i en kjede, hver med forskjellig kapasitet. Mengden vann som kan strømme gjennom hele systemet begrenses av tønnen med den minste kapasiteten-uavhengig av hvor store de andre er.
I en PV-streng er moduler elektrisk koblet i serie, noe som betyr at den samme strømmen må flyte gjennom dem alle. Modulen som mottar minst irradians (på grunn av en suboptimal vinkel) vil generere den laveste strømmen. Dette tvinger hele strengens strøm til å matche den laveste ytelsen, noe som fører til at de-ytende modulene opererer under sitt potensial. Krafttapene kan være betydelige, langt over den enkle summen av individuelle reduksjoner.
2. Hovedårsaker til PV-modulfeil
Årsakene til modulmismatch er komplekse og mangfoldige, og kan deles inn i to kategorier: medfødt mismatch og ervervet mismatch.
2.1 Medfødt misforhold: Fabrikkparameterforskjeller
Selv moduler produsert i samme batch har små forskjeller i deres elektriske ytelsesparametere på grunn av faktorer som halvledermaterialers renhet og produksjonsprosesssvingninger. Modulprodusenter utfører vanligvis effektgradering (binning) på moduler, men moduler innenfor samme strømbeholder kan fortsatt ha strømforskjeller innenfor ±2,5 %.
Mistilpasningstapet forårsaket av slike fabrikkparameterforskjeller er vanligvis 2%-3%, som er et grunnleggende mistilpasningstap som ikke helt kan unngås i alle PV-systemer.
2.2 Ervervet misforhold: Driftsmiljø og drifts- og vedlikeholdsfaktorer
Dette er hovedårsaken til at det faktiske tapet av systemmismatch er mye større enn grunnverdien, spesielt inkludert:
• Inkonsekvente tiltvinkler og asimutvinkler(vil bli analysert i dybden nedenfor)
• Uoverensstemmelse mellom skyggelegging: Fast skyggelegging fra omkringliggende bygninger, trær, fjell osv., og dynamisk skyggelegging fra skyer, fugler osv.
• Tilsmussing og aldring samsvarer ikke: Ujevn tilsmussing som støv, snø, fugleskitt på modulens overflate og forskjeller i aldringshastigheter etter lang-drift
• Temperaturfeil: Ujevne temperaturer forårsaket av ulike varmespredningsforhold for moduler
3. Dybde-mekanisme og kvantitativ analyse av misforhold forårsaket av tiltvinkelforskjeller
Tiltvinkelmismatch refererer til de inkonsekvente installasjonshellingsvinklene (vinkelen mellom modulplanet og horisontalplanet) til forskjellige moduler i samme seriestreng, noe som resulterer i forskjellige mengder solinnstråling mottatt av hver modul, og dermed forskjeller i utgangsstrøm. Dette er den mest vanlige og lett oversett typen mismatch i fjellrike PV og distribuerte tak PV-systemer.
3.1 Hovedårsaker til at forskjeller i installasjonsvinkel forverrer dette:
• Bestrålingsvariasjon: En modul vippet i en annen vinkel fanger opp mindre direkte sollys, spesielt i rushtiden. For eksempel, på et skrånende tak med varierende helling, kan sørvendte-moduler med optimal tilt fungere godt, mens andre i grunnere eller brattere vinkler underpresterer.
• Daglig og sesongmessig påvirkning: Vinkler påvirker ikke bare toppeffekten, men ytelsen over dagen. Ikke-jevn tilt fører til uoverensstemmende IV-kurver (strøm-spenningskarakteristikk), økende mistilpasningstap.
• Sammensetning med andre faktorer: Vinkelforskjeller kan forverre skyggeeffekter eller temperaturgradienter, siden dårlig vinklede moduler kan varme annerledes.
3.2 Kvantitativ korrelasjon mellom tiltvinkelforskjell og modulutgangsstrøm
Vi kan kvantifisere forholdet mellom helningsvinkelforskjell og strømforskjell ved nøyaktig å beregne den totale planbestrålingen ved forskjellige helningsvinkler. Tar30 grader N breddegradsområde(Yangtse-elvebassenget i Kina) som et eksempel, viser følgende tabell årlig total irradians og kortslutningsstrømforskjeller for forskjellige installasjonsvinkler i forhold til den optimale tiltvinkelen (omtrent 30 grader):
Installasjon Vippevinkel (grad) | Årlig total innstråling (kWh/m²) | Bestrålingsforskjell i forhold til optimal tiltvinkel (%) | Kort-strømforskjell (%) |
| 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 |
Nøkkelkonklusjoner:
1. I 30 grader N breddegradsområdet, for hver 5 graders avvik fra den optimale tiltvinkelen, reduseres den årlige irradiansen med omtrent 2 %-4 %, tilsvarende en 2 %-4 % reduksjon i kortslutningsstrømmen.
2. Når tiltvinkelforskjellen når 20 grader (f.eks. 30 grader vs 10 grader), kan den årlige strømforskjellen overstige 12 %.
3. Øyeblikkelige strømforskjeller er mye større enn årlige gjennomsnittsforskjeller. For eksempel, ved middagstid på sommersolverv, er solhøydevinkelen omtrent 83,5 grader, på hvilket tidspunkt den direkte innstrålingen som mottas av en modul med en 10 graders tiltvinkel er omtrent 15 % høyere enn den som mottas av en modul med en 30 graders tiltvinkel; mens ved middagstid på vintersolverv er solhøydevinkelen omtrent 36,5 grader, og den direkte innstrålingen som mottas av en modul med en 10 graders tiltvinkel er omtrent 25 % lavere enn den som mottas av en modul med en 30 graders tiltvinkel.
4. Sammenligning av mainstream-løsninger for modulmismatch
Med sikte på modulmismatchproblemet er det utviklet ulike løsninger i bransjen, hvis kjerneide er åbryte begrensningen om at "seriestrømmer må være konsistente"ellerminimere strømforskjeller.
4.1 Spesiell designoptimalisering for misforhold til tiltvinkel
Dette er den mest grunnleggende og laveste-kostnadsløsningen, og også tiltaket som alle prosjekter først bør ta i bruk:
1. Implementer strengt "samme vippevinkel, samme streng"-prinsippet: Dette er den gylne regelen for å forhindre misforhold i tiltvinkel. Moduler med samme tiltvinkel og asimutvinkel bør seriekobles i samme streng, og moduler med ulik tiltvinkel/orientering må aldri seriekobles.
2. Forkort strenglengden rimelig: I områder med store tiltvinkelforskjeller kan en passende forkorting av strenglengden (fra 22-24 moduler til 18-20 moduler) redusere støtområdet for mismatch.
3. Optimaliser inverter MPPT-kanalinndeling: Koble strenger fra forskjellige tiltvinkelsoner til forskjellige MPPT-kanaler, slik at hver MPPT-kanal kun sporer det maksimale kraftpunktet til strenger med samme tiltvinkel.
4.2 String inverter: Multi-MPPT-omformere
Tradisjonelle sentrale invertere har vanligvis bare 1-2 MPPT-kanaler, mens moderne strenginvertere vanligvis er utstyrt med flere uavhengige MPPT-kanaler (6-12 eller enda mer). Hver MPPT-kanal kan uavhengig spore det maksimale kraftpunktet til forskjellige strenger, og dermed begrense virkningen av mismatch til en enkelt MPPT-kanal.
Effekt på misforhold til tiltvinkel: Kan effektivt løse misforholdsproblemet mellom forskjellige tiltvinkelsoner, men kan fortsatt ikke løse tiltvinkelforskjellene innenfor strenger i samme sone.
4.3 Module-Level Power Electronics (MLPE)-teknologi
Dette er for tiden den mest effektive tekniske løsningen for å løse tilt-vinkelmisforhold, hovedsakelig inkludert strømoptimalisatorer og mikroinvertere:
1. Power Optimizer
Power optimizers er installert på baksiden av hver modul, tilsvarende én-til- én med modulene. Den kan uavhengig justere driftsspenningen og strømmen til hver modul, slik at hver modul fungerer ved sitt eget maksimale strømpunkt, og deretter sende likestrøm til seriekretsen.
Effekt på misforhold til tiltvinkel: Kan fullstendig eliminere strømmisforhold forårsaket av enhver tiltvinkelforskjell i strengen, slik at hver modul kan sende ut sin maksimale strøm. Målte data viser at i fjellrike kraftverk med store tiltvinkelforskjeller, kan bruk av kraftoptimalisatorer øke kraftproduksjonen med 15%-20%.
2. Mikroinverter
Mikroinvertere er direkte installert på baksiden av hver modul, og konverterer likestrømutgangen fra modulen direkte til vekselstrøm, som deretter kobles parallelt til nettet. Hver modul er en uavhengig kraftproduksjonsenhet, helt fri for seriestrømbegrensninger.
Effekt på misforhold til tiltvinkel: Løser fullstendig alle problemer med tiltvinkelmisforhold, og hver modul kan fungere uavhengig uavhengig av tiltvinkelforskjellen.
Vårt firma kan tilby alle løsningene og komplette systemene nevnt ovenfor. Hvis du trenger dem, vennligst kontakt oss!
7. Fremtidige utviklingstrender
Med den kontinuerlige utviklingen av PV-teknologi, er løsninger på modulmismatch-problemet også stadig nyskapende og utviklende:
1. Høyere effektivitet MLPE-teknologi: Konverteringseffektiviteten til nye-generasjons strømoptimalisatorer og mikrovekselrettere har overskredet 99 %, med ytterligere redusert egen-strømforbruk og stadig fallende kostnader.
2. Smart modulteknologi: Integrering av strømoptimalisatorer eller mikroinvertere med moduler for å danne smarte moduler, forenkler installasjonsprosessen og forbedrer systemets pålitelighet.
3. Digital tvillingteknologi: Bruk av digital tvillingteknologi for å bygge en virtuell modell av PV-kraftverket, nøyaktig simulering av mismatchstap under forskjellige arbeidsforhold, og realisere tidlig varsling og optimal kontroll.
4. Ny batteriteknologi: For eksempel shingled moduler, halvt-kuttede moduler, skivede moduler osv., reduserer virkningen av skyggelegging og mismatch gjennom cellesegmentering og optimaliserte tilkoblingsmetoder. For eksempel kan halv-kuttede moduler redusere strømtap forårsaket av skyggelegging med omtrent 50 %.
Modulmismatch er et uunngåelig fenomen i PV-systemer,blant hvilke tilt-vinkelforskjell er hovedårsaken til misforhold i komplekse installasjonsscenarier, og det resulterende kraftproduksjonstapet kan nå mer enn 15%. Tilt-vinkelforskjeller fører direkte til inkonsistente utgangsstrømmer fra moduler ved å påvirke mengden solinnstråling som mottas av modulene, og deretter begrense kraftproduksjonen til hele strengen gjennom "bøtteeffekten" til seriekretsen.
For ulike typer PV-kraftverk bør den mest hensiktsmessige mismatch-løsningen velges i henhold til faktorer som terrengforhold, tiltvinkelforskjellsstørrelse og investeringsbudsjett. Jordmonterte-kraftverk kan gi prioritet til multi-MPPT-streng-invertere; for komplekse scenarier som fjellområder og hustak med store tiltvinkelforskjeller, vil kraftelektronikkteknologi på modulnivå på -nivå gi betydelige forbedringer i kraftproduksjonen og investeringsavkastning.
