Abstract
De mismatch van modules is een van de belangrijkste technische knelpunten die de verbetering van de energieopwekkingsefficiëntie van fotovoltaïsche (PV) systemen beperken. De essentie ervan is het ‘bucket-effect’ dat wordt veroorzaakt door inconsistente uitgangsstromen van PV-modules in een serieschakeling. Volgens statistieken van het Photovoltaic Power Systems Program (PVPS) van het International Energy Agency (IEA) varieert het mondiale gemiddelde verlies aan energieopwekking als gevolg van mismatch in PV-energiecentrales van 5% tot 15%, en kan zelfs meer dan 20% bedragen in centrales met complex terrein of slechte werking en onderhoud. Onder hen is het verschil in kantelhoek de meest dominante oorzaak van mismatch in complexe installatiescenario's zoals bergachtige gebieden en daken, en is verantwoordelijk voor ongeveer 40%-60% van de totale mismatchverliezen.
1.Basisprincipes en fysieke mechanismen van mismatch van PV-modules
1.1 Elektrische kenmerken van PV-modules
De uitgangskarakteristieken van een PV-module worden bepaald door de stroom-spanningscurve (I-V) en de vermogens-spanningscurve (P-V). Onder standaard testomstandigheden (STC: instraling 1000 W/m², celtemperatuur 25 graden, AM1,5 spectrum) heeft een enkele module een uniek Maximum Power Point (MPP).
De kortsluitstroom (Isc) van een PV-module is ongeveer evenredig met de zonnestraling die op het celoppervlak valt, wat de belangrijkste fysieke basis is voor de huidige mismatch veroorzaakt door kantelhoekverschillen. De formule wordt uitgedrukt als:
Isc ≈ Isc_STC ×(G/GSTC)
Waar:
• Isc: Werkelijke kortsluitstroom- (A)
• Isc_STC: kortsluitstroom- onder standaard testomstandigheden (A)
• G: Werkelijke instraling (W/m²)
• G_STC: Standaard testinstraling (1000W/m²)
Wanneer meerdere modules in serie zijn geschakeld om een string te vormen, volgens de huidige wet van Kirchhoff,alle modules in een serieschakeling moeten op dezelfde stroom werken; terwijl de totale spanning van de string gelijk is aan de som van de bedrijfsspanningen van elke module. Deze eigenschap bepaalt dat seriesystemen extreem gevoelig zijn voor stroomverschillen.
1.2 Kernmechanisme van het mismatch-fenomeen
Het 'vateffect' (ook bekend als de 'zwakste schakel' of het 'knelpunteffect') is een perfecte analogie voor wat er gebeurt in in serie-geschakelde PV-modules. Stel je een reeks vaten voor die in een ketting zijn verbonden, elk met een andere capaciteit. De hoeveelheid water die door het hele systeem kan stromen, wordt beperkt door het vat met de kleinste capaciteit-ongeacht hoe groot de andere zijn.
In een PV-reeks zijn de modules elektrisch in serie geschakeld, wat betekent dat er door alle modules dezelfde stroom moet stromen. De module die de minste instraling ontvangt (vanwege een suboptimale hoek) zal de laagste stroom genereren. Dit dwingt de stroom van de hele string om overeen te komen met de laagst presterende module, waardoor de beter- presterende modules onder hun potentieel werken. Vermogensverliezen kunnen aanzienlijk zijn en veel groter zijn dan de simpele som van individuele reducties.
2. Belangrijkste oorzaken van mismatch van PV-modules
De oorzaken van module-mismatch zijn complex en divers, en kunnen in twee categorieën worden verdeeld: congenitale mismatch en verworven mismatch.
2.1 Congenitale mismatch: verschillen in fabrieksparameters
Zelfs modules die in dezelfde batch worden geproduceerd, vertonen kleine verschillen in hun elektrische prestatieparameters als gevolg van factoren zoals de zuiverheid van halfgeleidermateriaal en schommelingen in het productieproces. Modulefabrikanten voeren gewoonlijk vermogensgradatie (binning) uit op modules, maar modules binnen dezelfde power bin kunnen nog steeds stroomverschillen binnen ± 2,5% hebben.
Het mismatch-verlies dat door dergelijke fabrieksparameterverschillen wordt veroorzaakt, bedraagt gewoonlijk 2%-3%, wat een fundamenteel mismatch-verlies is dat niet volledig kan worden vermeden in alle PV-systemen.
2.2 Verworven mismatch: bedrijfsomgeving en exploitatie- en onderhoudsfactoren
Dit is de belangrijkste reden waarom het daadwerkelijke verlies aan systeemmismatch veel groter is dan de basiswaarde, met name:
• Inconsistente kantelhoeken en azimuthoeken(zal hieronder diepgaand worden geanalyseerd)
• Schaduwmismatch: Vaste schaduw van omliggende gebouwen, bomen, bergen, enz., en dynamische schaduw van wolken, vogels, enz.
• Vervuiling en veroudering passen niet bij elkaar: ongelijkmatige vervuiling zoals stof, sneeuw, vogelpoep op het paneeloppervlak en verschillen in verouderingssnelheid na langdurig gebruik-
• Temperatuur komt niet overeen: Ongelijkmatige temperaturen veroorzaakt door verschillende warmteafvoeromstandigheden van modules
3. Diepgaand mechanisme en kwantitatieve analyse van mismatch veroorzaakt door kantelhoekverschillen
Het niet overeenkomen van de kantelhoek verwijst naar de inconsistente kantelhoeken van de installatie (de hoek tussen het modulevlak en het horizontale vlak) van verschillende modules in dezelfde seriereeks, wat resulteert in verschillende hoeveelheden zonnestraling die door elke module wordt ontvangen, en dus verschillen in de uitgangsstroom. Dit is het meest voorkomende en gemakkelijk over het hoofd geziene type mismatch in bergachtige PV-systemen en gedistribueerde PV-systemen op daken.
3.1 De belangrijkste redenen waarom verschillen in de installatiehoek dit verergeren:
• Variatie in stralingssterkte: Een module die in een andere hoek is gekanteld, vangt minder direct zonlicht op, vooral tijdens piekuren. Op een schuin dak met verschillende hellingen kunnen modules op het zuiden- met een optimale hellingshoek bijvoorbeeld goed presteren, terwijl andere met een ondiepere of steilere hoek minder goed presteren.
• Dagelijkse en seizoensinvloeden: Hoeken zijn niet alleen van invloed op de piekopbrengst, maar ook op de prestaties gedurende de dag. Niet-uniforme kantelingen leiden tot niet-overeenkomende IV-curven (stroom-spanningskarakteristieken), waardoor de mismatch-verliezen toenemen.
• Compounding met andere factoren: Hoekverschillen kunnen schaduweffecten of temperatuurgradiënten verergeren, omdat modules met een slechte hoek anders kunnen verwarmen.
3.2 Kwantitatieve correlatie tussen het verschil in kantelhoek en de uitgangsstroom van de module
We kunnen de relatie tussen het kantelhoekverschil en het stroomverschil kwantificeren door de totale vlakbestraling bij verschillende kantelhoeken nauwkeurig te berekenen. Het nemen van de30 graden N breedtegraad(het stroomgebied van de Yangtze-rivier in China) De volgende tabel toont bijvoorbeeld de jaarlijkse verschillen in totale instraling en kortsluitstroom voor verschillende kantelhoeken van de installatie ten opzichte van de optimale kantelhoek (ongeveer 30 graden):
Installatie Kantelhoek ( rang ) | Jaarlijkse totale instraling (kWh/m²) | Verschil in stralingssterkte ten opzichte van optimale kantelhoek (%) | Kort-Kringstroomverschil (%) |
| 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 (optimaal) | 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 |
Belangrijkste conclusies:
1. In het breedtegraadgebied van 30 graden N neemt voor elke afwijking van 5 graden van de optimale kantelhoek de jaarlijkse instraling af met ongeveer 2%-4%, wat overeenkomt met een afname van 2%-4% in de kortsluitstroom.
2. Wanneer het kantelhoekverschil 20 graden bereikt (bijvoorbeeld 30 graden versus 10 graden), kan het jaarlijkse stroomverschil groter zijn dan 12%.
3. De momentane stroomverschillen zijn veel groter dan de jaargemiddelde verschillen. Op het middaguur van de zomerzonnewende is de zonnehoogtehoek bijvoorbeeld ongeveer 83,5 graden, op welk moment de directe straling die wordt ontvangen door een module met een kantelhoek van 10 graden ongeveer 15% hoger is dan die ontvangen door een module met een kantelhoek van 30 graden; terwijl op het middaguur tijdens de winterzonnewende de hoogtehoek van de zon ongeveer 36,5 graden bedraagt, en de directe instraling die wordt ontvangen door een module met een kantelhoek van 10 graden ongeveer 25% lager is dan die ontvangen door een module met een kantelhoek van 30 graden.
4. Vergelijking van reguliere oplossingen voor module-mismatch
Met het oog op het probleem van de mismatch van modules zijn er in de industrie verschillende oplossingen ontwikkeld, waarvan de kerngedachte is:doorbreek de beperking dat "seriestromen consistent moeten zijn"ofstroomverschillen minimaliseren.
4.1 Speciale ontwerpoptimalisatie voor niet-overeenkomende kantelhoeken
Dit is de meest fundamentele en goedkoopste oplossing-, en ook de maatregel die alle projecten als eerste zouden moeten nemen:
1. Implementeer strikt het principe van "dezelfde kantelhoek, dezelfde snaar".: Dit is de gouden regel om te voorkomen dat de kantelhoek niet overeenkomt. Modules met dezelfde kantelhoek en azimuthoek moeten in serie in dezelfde string worden aangesloten, en modules met verschillende kantelhoeken/oriëntaties mogen nooit in serie met elkaar worden verbonden.
2. Verkort de snaarlengte redelijk: In gebieden met grote verschillen in de kantelhoek kan het op passende wijze inkorten van de snaarlengte (van 22-24 modules naar 18-20 modules) het impactbereik van mismatch verkleinen.
3. Optimaliseer de MPPT-kanaalverdeling van de omvormer: Verbind strings uit verschillende kantelhoekzones met verschillende MPPT-kanalen, zodat elk MPPT-kanaal alleen het maximale vermogenspunt volgt van strings met dezelfde kantelhoek.
4.2 String-omvormer: Multi-MPPT-omvormers
Traditionele centrale omvormers hebben doorgaans slechts 1-2 MPPT-kanalen, terwijl moderne stringomvormers over het algemeen zijn uitgerust met meerdere onafhankelijke MPPT-kanalen (6-12 of zelfs meer). Elk MPPT-kanaal kan onafhankelijk het maximale vermogenspunt van verschillende strings volgen, waardoor de impact van een mismatch tot een enkel MPPT-kanaal wordt beperkt.
Effect op niet-overeenkomende kantelhoek: Kan het mismatch-probleem tussen verschillende kantelhoekzones effectief oplossen, maar kan nog steeds de kantelhoekverschillen binnen strings in dezelfde zone niet oplossen.
4.3 Module-Level Power Electronics (MLPE)-technologie
Dit is momenteel de meest effectieve technische oplossing voor het oplossen van niet-overeenkomende kantelhoeken, voornamelijk met inbegrip van power optimizers en micro-omvormers:
1. Power-optimalisatie
Op de achterkant van elke module zijn power optimizers geïnstalleerd, die één-op-één corresponderen met de modules. Het kan de bedrijfsspanning en stroom van elke module onafhankelijk aanpassen, waardoor elke module op zijn eigen maximale vermogenspunt werkt en vervolgens gelijkstroom naar het seriecircuit stuurt.
Effect op niet-overeenkomende kantelhoek: Kan de huidige mismatch, veroorzaakt door een verschil in de kantelhoek binnen de string, volledig elimineren, waardoor elke module zijn maximale stroom kan leveren. Uit gemeten gegevens blijkt dat in bergachtige energiecentrales met grote verschillen in kantelhoeken het gebruik van power optimizers de energieopwekking met 15%-20% kan verhogen.
2. Micro-omvormer
Micro-omvormers worden rechtstreeks op de achterkant van elke module geïnstalleerd, waardoor de gelijkstroom die door de module wordt afgegeven direct wordt omgezet in wisselstroom, die vervolgens parallel wordt aangesloten op het elektriciteitsnet. Elke module is een onafhankelijke stroomopwekkingseenheid, volledig vrij van seriestroombeperkingen.
Effect op niet-overeenkomende kantelhoek: Lost alle problemen met de kantelhoek volledig op, en elke module kan onafhankelijk werken, ongeacht het verschil in de kantelhoek.
Ons bedrijf kan alle bovengenoemde oplossingen en complete systemen leveren. Als u ze nodig heeft, neem dan contact met ons op!
7. Toekomstige ontwikkelingstrends
Met de voortdurende vooruitgang van de PV-technologie worden oplossingen voor het probleem van de module-mismatch ook voortdurend geïnnoveerd en ontwikkeld:
1. MLPE-technologie met hogere efficiëntie: De conversie-efficiëntie van de nieuwe-generatie power optimizers en micro-omvormers heeft de 99% overschreden, met een verder verlaagd eigen-stroomverbruik en voortdurend dalende kosten.
2. Slimme moduletechnologie: Integratie van power optimizers of micro-omvormers met modules om slimme modules te vormen, waardoor het installatieproces wordt vereenvoudigd en de systeembetrouwbaarheid wordt verbeterd.
3. Digitale tweelingtechnologie: Het gebruik van digital twin-technologie om een virtueel model van de PV-energiecentrale te bouwen, waarbij mismatch-verliezen onder verschillende werkomstandigheden nauwkeurig worden gesimuleerd en vroegtijdige waarschuwing en optimale controle worden gerealiseerd.
4. Nieuwe batterijtechnologie: Zoals shingled-modules, half-gesneden modules, gesneden modules, enz., verminderen de impact van schaduw en mismatch door middel van celsegmentatie en geoptimaliseerde verbindingsmethoden. Half-gekapte modules kunnen bijvoorbeeld het stroomverlies veroorzaakt door schaduw met ongeveer 50% verminderen.
Module-mismatch is een onvermijdelijk fenomeen in PV-systemen.waaronder kantelhoekverschillen zijn de belangrijkste oorzaak van mismatch in complexe installatiescenario's, en het resulterende verlies aan energieopwekking kan oplopen tot meer dan 15%. Kantelhoekverschillen leiden rechtstreeks tot inconsistente uitgangsstromen van modules door de hoeveelheid zonnestraling die door de modules wordt ontvangen te beïnvloeden, en beperken vervolgens de stroomopwekking van de hele string via het "emmereffect" van het serieschakeling.
Voor verschillende soorten PV-energiecentrales moet de meest geschikte mismatch-oplossing worden geselecteerd op basis van factoren zoals terreinomstandigheden, de grootte van het kantelhoekverschil en het investeringsbudget. Op de grond-gemonteerde elektriciteitscentrales kunnen voorrang geven aan multi-MPPT-stringomvormers; voor complexe scenario's zoals bergachtige gebieden en daken met grote verschillen in kantelhoeken zal vermogenselektronicatechnologie op module-niveau aanzienlijke verbeteringen in de stroomopwekking en investeringsrendementen opleveren.
