Astratto
Il disadattamento dei moduli è uno dei principali colli di bottiglia tecnici che limitano il miglioramento dell’efficienza della generazione di energia del sistema fotovoltaico (PV). La sua essenza è l '"effetto secchio" causato da correnti di uscita incoerenti dei moduli fotovoltaici in un circuito in serie. Secondo le statistiche del Photovoltaic Power Systems Program (PVPS) dell’Agenzia internazionale per l’energia (IEA), la perdita media globale di produzione di energia dovuta al disadattamento negli impianti fotovoltaici varia dal 5% al 15% e può persino superare il 20% negli impianti con terreno complesso o cattivo funzionamento e manutenzione. Tra questi, la differenza dell'angolo di inclinazione è la causa principale di disadattamento in scenari di installazione complessi come aree montuose e tetti, rappresentando circa il 40%-60% delle perdite totali di disadattamento.
1.Principi di base e meccanismi fisici del disadattamento dei moduli fotovoltaici
1.1 Caratteristiche Elettriche dei Moduli Fotovoltaici
Le caratteristiche di uscita di un modulo fotovoltaico sono determinate dalla curva di corrente-tensione (I-V) e dalla curva di potenza-tensione (P-V). In condizioni di test standard (STC: irradianza 1000 W/m², temperatura della cella 25 gradi, spettro AM1,5), un singolo modulo ha un punto di massima potenza (MPP) unico.
La corrente di corto-circuito (Isc) di un modulo fotovoltaico è approssimativamente proporzionale all'irradianza solare incidente sulla superficie della cella, che è la base fisica fondamentale per il disadattamento di corrente causato dalle differenze dell'angolo di inclinazione. La formula è espressa come:
Isc ≈ Isc_STC ×(G/GSTC)
Dove:
• Isc: corrente di cortocircuito-effettiva (A)
• Isc_STC: corrente di corto-circuito in condizioni di test standard (A)
• G: irradianza effettiva incidente (W/m²)
• G_STC: irraggiamento di prova standard (1000 W/m²)
Quando più moduli sono collegati in serie per formare una stringa, secondo la legge attuale di Kirchhoff,tutti i moduli in un circuito in serie devono funzionare con la stessa corrente; mentre la tensione totale della stringa è pari alla somma delle tensioni di funzionamento di ciascun modulo. Questa caratteristica determina che i sistemi in serie sono estremamente sensibili alle differenze di corrente.
1.2 Meccanismo fondamentale del fenomeno del disadattamento
L'"effetto barile" (noto anche come "anello più debole" o "effetto collo di bottiglia") è un'analogia perfetta per ciò che accade nei moduli fotovoltaici collegati in serie-. Immagina una serie di botti collegate in catena, ciascuna con una capacità diversa. La quantità di acqua che può fluire attraverso l'intero sistema è limitata dal barile con la capacità più piccola-indipendentemente da quanto sono grandi gli altri.
In una stringa FV, i moduli sono collegati elettricamente in serie, il che significa che la stessa corrente deve fluire attraverso tutti loro. Il modulo che riceve meno irraggiamento (a causa di un angolo non ottimale) genererà la corrente più bassa. Ciò costringe la corrente dell'intera stringa a corrispondere a quella con le prestazioni più basse, facendo sì che i moduli-con prestazioni più elevate funzionino al di sotto del loro potenziale. Le perdite di potenza possono essere sostanziali, superando di gran lunga la semplice somma delle singole riduzioni.
2. Principali cause di mancata corrispondenza dei moduli fotovoltaici
Le cause del disadattamento dei moduli sono complesse e diverse e possono essere suddivise in due categorie: disadattamento congenito e disadattamento acquisito.
2.1 Disadattamento congenito: differenze nei parametri di fabbrica
Anche i moduli prodotti nello stesso lotto presentano lievi differenze nei parametri delle prestazioni elettriche a causa di fattori quali la purezza del materiale semiconduttore e le fluttuazioni del processo di produzione. I produttori di moduli solitamente eseguono la classificazione della potenza (binning) sui moduli, ma i moduli all'interno dello stesso contenitore di potenza possono comunque presentare differenze di corrente entro ±2,5%.
La perdita di disadattamento causata da tali differenze nei parametri di fabbrica è solitamente del 2%-3%, che è una perdita di disadattamento di base che non può essere completamente evitata in tutti i sistemi fotovoltaici.
2.2 Disallineamento acquisito: ambiente operativo e fattori di funzionamento e manutenzione
Questo è il motivo principale per cui la perdita effettiva di disadattamento del sistema è molto maggiore del valore di base, includendo in particolare:
• Angoli di inclinazione e angoli di azimut incoerenti(sarà analizzato approfonditamente di seguito)
• Mancata corrispondenza dell'ombreggiatura: Ombreggiatura fissa da edifici circostanti, alberi, montagne, ecc. e ombreggiatura dinamica da nuvole, uccelli, ecc.
• Discrepanza tra sporco e invecchiamento: Sporco irregolare come polvere, neve, escrementi di uccelli sulla superficie del modulo e differenze nei tassi di invecchiamento dopo un funzionamento a lungo termine-
• Discrepanza della temperatura: Temperature irregolari causate dalle diverse condizioni di dissipazione del calore dei moduli
3. Meccanismo approfondito e analisi quantitativa della mancata corrispondenza causata dalle differenze dell'angolo di inclinazione
La mancata corrispondenza dell'angolo di inclinazione si riferisce agli angoli di inclinazione di installazione incoerenti (l'angolo tra il piano del modulo e il piano orizzontale) di diversi moduli nella stessa stringa in serie, con conseguenti quantità diverse di irradianza solare ricevuta da ciascun modulo e quindi differenze nella corrente di uscita. Questo è il tipo di disadattamento più comune e facilmente trascurato nei sistemi fotovoltaici di montagna e nei sistemi fotovoltaici distribuiti sui tetti.
3.1 Motivi principali che le differenze dell'angolo di installazione aggravano questo problema:
• Variazione dell'irradianza: Un modulo inclinato con un'angolazione diversa cattura meno la luce solare diretta, soprattutto nelle ore di punta. Ad esempio, su un tetto spiovente con inclinazioni variabili, i moduli rivolti a sud-con un'inclinazione ottimale potrebbero funzionare bene, mentre altri con angoli meno profondi o più ripidi potrebbero avere prestazioni inferiori.
• Impatto giornaliero e stagionale: Gli angoli influiscono non solo sulla produzione di picco ma anche sulle prestazioni durante il giorno. Le inclinazioni non-uniformi portano a curve IV non corrispondenti (caratteristiche della-tensione corrente), aumentando le perdite di disadattamento.
• Combinazione con altri fattori: Le differenze di angolazione possono peggiorare gli effetti di ombreggiamento o i gradienti di temperatura, poiché i moduli con un'angolazione scarsa possono riscaldarsi in modo diverso.
3.2 Correlazione quantitativa tra la differenza dell'angolo di inclinazione e la corrente di uscita del modulo
Possiamo quantificare la relazione tra la differenza dell'angolo di inclinazione e la differenza di corrente calcolando accuratamente l'irradianza totale del piano a diversi angoli di inclinazione. Prendendo ilRegione di latitudine di 30 gradi N(il bacino del fiume Yangtze in Cina) come esempio, la tabella seguente mostra l'irradianza totale annuale e le differenze di corrente di cortocircuito-per diversi angoli di inclinazione dell'installazione rispetto all'angolo di inclinazione ottimale (circa 30 gradi):
Angolo di inclinazione dell'installazione ( grado ) | Irraggiamento totale annuo (kWh/m²) | Differenza di irraggiamento rispetto all'angolo di inclinazione ottimale (%) | Differenza di corrente di corto-circuito (%) |
| 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 (ottimale) | 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 |
Conclusioni chiave:
1. Nella regione di latitudine di 30 gradi N, per ogni deviazione di 5 gradi dall'angolo di inclinazione ottimale, l'irradianza annuale diminuisce di circa il 2%-4%, corrispondente a una diminuzione del 2%-4% nella corrente di cortocircuito.
2. Quando la differenza dell'angolo di inclinazione raggiunge i 20 gradi (ad esempio, 30 gradi contro 10 gradi), la differenza di corrente annuale può superare il 12%.
3. Le differenze attuali istantanee sono molto maggiori delle differenze medie annuali. Ad esempio, a mezzogiorno del solstizio d'estate, l'angolo di altitudine solare è di circa 83,5 gradi, momento in cui l'irradiazione diretta ricevuta da un modulo con un angolo di inclinazione di 10 gradi è circa il 15% superiore a quella ricevuta da un modulo con un angolo di inclinazione di 30 gradi; mentre a mezzogiorno del solstizio d'inverno l'angolo di altitudine solare è di circa 36,5 gradi e l'irradianza diretta ricevuta da un modulo con un angolo di inclinazione di 10 gradi è inferiore di circa il 25% rispetto a quella ricevuta da un modulo con un angolo di inclinazione di 30 gradi.
4. Confronto delle soluzioni tradizionali per la mancata corrispondenza dei moduli
Mirando al problema del disadattamento dei moduli, nel settore sono state sviluppate varie soluzioni, la cui idea principale è quella dirompere la restrizione secondo cui "le correnti in serie devono essere coerenti"Ominimizzare le differenze attuali.
4.1 Ottimizzazione progettuale speciale per la mancata corrispondenza dell'angolo di inclinazione
Questa è la soluzione più basilare e a basso costo-e anche la misura che tutti i progetti dovrebbero innanzitutto adottare:
1. Attuare rigorosamente il principio "stesso angolo di inclinazione, stessa corda".: Questa è la regola d'oro per prevenire la mancata corrispondenza dell'angolo di inclinazione. I moduli con lo stesso angolo di inclinazione e angolo di azimut devono essere collegati in serie nella stessa stringa e i moduli con angoli/orientamenti di inclinazione diversi non devono mai essere collegati in serie insieme.
2. Ridurre ragionevolmente la lunghezza della stringa: Nelle aree con grandi differenze nell'angolo di inclinazione, accorciando opportunamente la lunghezza della stringa (da 22-24 moduli a 18-20 moduli) è possibile ridurre l'intervallo di impatto del disadattamento.
3. Ottimizza la divisione dei canali MPPT dell'inverter: collega stringhe da diverse zone di angolo di inclinazione a diversi canali MPPT, in modo che ciascun canale MPPT segua solo il punto di potenza massima delle stringhe con lo stesso angolo di inclinazione.
4.2 Invertitore di stringa: inverter multi-MPPT
Gli inverter centrali tradizionali solitamente hanno solo 1-2 canali MPPT, mentre i moderni inverter di stringa sono generalmente dotati di più canali MPPT indipendenti (6-12 o anche più). Ciascun canale MPPT può tracciare in modo indipendente il punto di potenza massima di stringhe diverse, limitando così l'impatto della mancata corrispondenza su un singolo canale MPPT.
Effetto sulla mancata corrispondenza dell'angolo di inclinazione: Può risolvere efficacemente il problema della mancata corrispondenza tra diverse zone dell'angolo di inclinazione, ma non è ancora in grado di risolvere le differenze dell'angolo di inclinazione all'interno delle stringhe nella stessa zona.
4.3 Tecnologia del modulo-Livello Power Electronics (MLPE).
Questa è attualmente la soluzione tecnica più efficace per risolvere la mancata corrispondenza dell'angolo di inclinazione, includendo principalmente ottimizzatori di potenza e microinverter:
1. Ottimizzatore di potenza
Gli ottimizzatori di potenza sono installati sul retro di ciascun modulo, in corrispondenza-a-uno dei moduli. Può regolare in modo indipendente la tensione e la corrente operativa di ciascun modulo, facendo funzionare ciascun modulo al proprio punto di massima potenza e quindi emettendo corrente continua al circuito in serie.
Effetto sulla mancata corrispondenza dell'angolo di inclinazione: Può eliminare completamente il disadattamento di corrente causato da qualsiasi differenza dell'angolo di inclinazione all'interno della stringa, consentendo a ciascun modulo di emettere la sua corrente massima. I dati misurati mostrano che nelle centrali elettriche di montagna con grandi differenze di angolo di inclinazione, l’uso di ottimizzatori di potenza può aumentare la produzione di energia del 15%-20%.
2. Microinverter
I microinverter sono installati direttamente sul retro di ciascun modulo, convertendo la corrente continua erogata dal modulo direttamente in corrente alternata, che viene poi collegata in parallelo alla rete. Ogni modulo è un'unità di generazione di energia indipendente, completamente libera da vincoli di corrente in serie.
Effetto sulla mancata corrispondenza dell'angolo di inclinazione: Risolve completamente tutti i problemi di mancata corrispondenza dell'angolo di inclinazione e ciascun modulo può funzionare in modo indipendente indipendentemente dalla differenza dell'angolo di inclinazione.
La nostra azienda è in grado di fornire tutte le soluzioni e i sistemi completi sopra menzionati. Se ne hai bisogno, contattaci!
7. Tendenze di sviluppo futuro
Con il continuo progresso della tecnologia fotovoltaica, anche le soluzioni al problema del disadattamento dei moduli vengono costantemente innovate e sviluppate:
1. Tecnologia MLPE ad alta efficienza: l'efficienza di conversione degli ottimizzatori di potenza e dei microinverter di nuova-generazione ha superato il 99%, con un'ulteriore riduzione dell'auto-consumo energetico e costi in continua diminuzione.
2. Tecnologia dei moduli intelligenti: Integrazione di ottimizzatori di potenza o microinverter con moduli per formare moduli intelligenti, semplificando il processo di installazione e migliorando l'affidabilità del sistema.
3. Tecnologia del gemello digitale: Utilizzo della tecnologia del gemello digitale per costruire un modello virtuale della centrale fotovoltaica, simulando accuratamente le perdite di disadattamento in diverse condizioni di lavoro e realizzando avvisi tempestivi e controllo ottimale.
4. Nuova tecnologia della batteria: come i moduli a scandole, i moduli -tagliati a metà, i moduli a fette, ecc., riducono l'impatto dell'ombreggiatura e della mancata corrispondenza attraverso la segmentazione delle celle e metodi di connessione ottimizzati. Ad esempio, i moduli tagliati a metà- possono ridurre la perdita di potenza causata dall'ombreggiamento di circa il 50%.
Il disadattamento dei moduli è un fenomeno inevitabile negli impianti fotovoltaici,tra cui la differenza dell'angolo di inclinazione è la principale causa di disadattamento in scenari di installazione complessie la conseguente perdita di produzione di energia può raggiungere più del 15%. Le differenze dell'angolo di inclinazione portano direttamente a correnti di uscita incoerenti dei moduli influenzando la quantità di irradianza solare ricevuta dai moduli e quindi limitano la generazione di energia dell'intera stringa attraverso l'effetto secchio del circuito in serie.
Per diversi tipi di impianti fotovoltaici, la soluzione di disadattamento più appropriata dovrebbe essere selezionata in base a fattori quali le condizioni del terreno, la dimensione della differenza dell’angolo di inclinazione e il budget di investimento. Le centrali elettriche-montate a terra possono dare priorità agli inverter di stringa multi-MPPT; per scenari complessi come aree montuose e tetti con grandi differenze di angolo di inclinazione, la tecnologia dell'elettronica di potenza a livello di modulo- porterà miglioramenti significativi nella produzione di energia e ritorni sugli investimenti.
