Soyut
Modül uyumsuzluğu, fotovoltaik (PV) sistem güç üretim verimliliğinin iyileştirilmesini kısıtlayan temel teknik darboğazlardan biridir. Bunun özü, seri devredeki PV modüllerinin tutarsız çıkış akımlarının neden olduğu "kova etkisi"dir. Uluslararası Enerji Ajansı (IEA) Fotovoltaik Güç Sistemleri Programı (PVPS) istatistiklerine göre, PV enerji santrallerindeki uyumsuzluktan kaynaklanan küresel ortalama enerji üretim kaybı %5 ile %15 arasında değişiyor ve hatta karmaşık araziye sahip veya kötü işletme ve bakıma sahip tesislerde %20'yi aşabiliyor. Bunların arasında eğim açısı farkı, dağlık alanlar ve çatılar gibi karmaşık kurulum senaryolarında uyumsuzluğun en baskın nedenidir ve toplam uyumsuzluk kayıplarının yaklaşık %40-60'ını oluşturur.
1.PV Modül Uyumsuzluğunun Temel Prensipleri ve Fiziksel Mekanizmaları
1.1 PV Modüllerinin Elektriksel Özellikleri
Bir PV modülünün çıkış özellikleri, onun akım-gerilim (I-V) eğrisi ve güç-gerilim (P-V) eğrisi tarafından belirlenir. Standart Test Koşulları altında (STC: ışınım 1000W/m², hücre sıcaklığı 25 derece, AM1.5 spektrumu), tek bir modül benzersiz bir Maksimum Güç Noktasına (MPP) sahiptir.
Bir PV modülünün kısa-devre akımı (Isc), hücre yüzeyindeki güneş ışınımı olayıyla yaklaşık olarak orantılıdıreğim açısı farklılıklarından kaynaklanan akım uyumsuzluğunun temel fiziksel temelidir. Formül şu şekilde ifade edilir:
Isc ≈ Isc_STC ×(G/GSTC)
Nerede:
• Isc: Gerçek kısa-devre akımı (A)
• Isc_STC: Standart test koşulları altında kısa-devre akımı (A)
• G: Gerçek olay ışınımı (W/m²)
• G_STC: Standart test ışınımı (1000W/m²)
Kirchhoff'un Akım Yasasına göre birden fazla modül bir dizi oluşturacak şekilde seri olarak bağlandığında,seri devredeki tüm modüller aynı akımda çalışmalıdır; dizinin toplam voltajı her modülün çalışma voltajlarının toplamına eşittir. Bu özellik seri sistemlerin akım farklılıklarına karşı son derece duyarlı olduğunu belirler.
1.2 Uyumsuzluk Olgusunun Temel Mekanizması
"Varil etkisi" ("en zayıf halka" veya "darboğaz etkisi" olarak da bilinir), seri-bağlı PV modüllerinde meydana gelenler için mükemmel bir benzetmedir. Her biri farklı kapasiteye sahip, zincire bağlı bir dizi varil hayal edin. Tüm sistem boyunca akabilecek su miktarı, diğerleri ne kadar büyük olursa olsun,-en küçük kapasiteli varil ile sınırlıdır.
Bir PV dizisinde modüller elektriksel olarak seri olarak bağlanır; bu, hepsinden aynı akımın geçmesi gerektiği anlamına gelir. En az ışınımı alan modül (optimum olmayan açı nedeniyle) en düşük akımı üretecektir. Bu, tüm dizinin akımını en düşük performansa sahip olanla eşleşmeye zorlar ve daha yüksek-performansa sahip modüllerin potansiyellerinin altında çalışmasına neden olur. Güç kayıpları, bireysel azalmaların basit toplamını çok aşacak kadar önemli olabilir.
2. PV Modül Uyuşmazlığının Ana Nedenleri
Modül uyumsuzluğunun nedenleri karmaşık ve çeşitlidir ve iki kategoriye ayrılabilir: doğuştan uyumsuzluk ve edinilmiş uyumsuzluk.
2.1 Konjenital Uyumsuzluk: Fabrika Parametre Farklılıkları
Aynı partide üretilen modüller bile yarı iletken malzeme saflığı ve üretim prosesindeki dalgalanmalar gibi faktörlerden dolayı elektriksel performans parametrelerinde küçük farklılıklar gösterir. Modül üreticileri genellikle modüller üzerinde güç sınıflandırması (gruplama) gerçekleştirir, ancak aynı güç bölmesindeki modüller yine de ±%2,5 oranında akım farklılıklarına sahip olabilir.
Bu tür fabrika parametre farklılıklarından kaynaklanan uyumsuzluk kaybı genellikle %2-%3'tür ve bu, tüm PV sistemlerinde tamamen önlenemeyen temel bir uyumsuzluk kaybıdır.
2.2 Edinilmiş Uyuşmazlık: Çalışma Ortamı ve Çalıştırma ve Bakım Faktörleri
Gerçek sistem uyumsuzluk kaybının temel değerden çok daha büyük olmasının ana nedeni budur; özellikle aşağıdakiler dahil:
• Tutarsız eğim açıları ve azimut açıları(aşağıda ayrıntılı olarak incelenecektir)
• Gölgeleme uyumsuzluğu: Çevredeki binalardan, ağaçlardan, dağlardan vb. sabit gölgeleme ve bulutlardan, kuşlardan vb. dinamik gölgeleme.
• Kirlenme ve eskime uyumsuzluğu: Modül yüzeyinde toz, kar, kuş pisliği gibi düzensiz kirlenmeler ve uzun-süreli çalıştırma sonrasında eskime oranlarındaki farklılıklar
• Sıcaklık uyumsuzluğu: Modüllerin farklı ısı dağıtım koşullarından kaynaklanan eşit olmayan sıcaklıklar
3. Eğim Açısı Farklılıklarından Kaynaklanan Uyuşmazlığın-Derinlemesine Mekanizması ve Kantitatif Analizi
Eğim açısı uyumsuzluğu, aynı seri dizisindeki farklı modüllerin tutarsız kurulum eğim açılarını (modül düzlemi ile yatay düzlem arasındaki açı) ifade eder; bu, her modülün farklı miktarda güneş ışınımı almasına ve dolayısıyla çıkış akımında farklılıklara neden olur. Bu, dağlık PV ve dağıtılmış çatı üstü PV sistemlerinde en yaygın ve kolayca gözden kaçan uyumsuzluk türüdür.
3.1 Kurulum açısı farklılıklarının bunu daha da kötüleştirmesinin temel nedenleri:
• Işınım Değişimi: Farklı bir açıya eğilen bir modül, özellikle yoğun saatlerde doğrudan güneş ışığını daha az yakalar. Örneğin, değişen eğimlere sahip eğimli bir çatıda, güneye bakan modüller-optimum eğimde iyi performans gösterebilirken, daha sığ veya daha dik açılardaki diğer modüller daha düşük performans gösterebilir.
• Günlük ve Mevsimsel Etki: Açılar yalnızca en yüksek çıktıyı değil aynı zamanda gün içindeki performansı da etkiler. Düzgün olmayan-eğimler, eşleşmeyen IV eğrilerine (akım-gerilim özellikleri) yol açarak uyumsuzluk kayıplarını artırır.
• Diğer Faktörlerle Birleşme: Kötü açılı modüller farklı şekilde ısınabileceğinden açı farklılıkları gölgeleme etkilerini veya sıcaklık değişimlerini kötüleştirebilir.
3.2 Eğim Açısı Farkı ile Modül Çıkış Akımı Arasındaki Niceliksel Korelasyon
Farklı eğim açılarında toplam düzlem ışınımını doğru bir şekilde hesaplayarak eğim açısı farkı ile akım farkı arasındaki ilişkiyi ölçebiliriz. alarak30 derece K enlem bölgesi(Çin'deki Yangtze Nehri Havzası) örnek olarak aşağıdaki tabloda, optimum eğim açısına (yaklaşık 30 derece) göre farklı kurulum eğim açıları için yıllık toplam ışınım şiddeti ve kısa-kısa devre akımı farkları gösterilmektedir:
Kurulum Eğim Açısı ( derece ) | Yıllık Toplam Işınım (kWh/m²) | Optimum Eğim Açısına Göre Işınım Farkı (%) | Kısa-Devre Akım Farkı (%) |
| 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 (En iyi) | 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 |
Temel Sonuçlar:
1. 30 derece K enlem bölgesinde, optimum eğim açısından her 5 derecelik sapma için, yıllık ışınım yaklaşık %2-%4 oranında azalır, bu da kısa devre akımında %2-%4'lük bir azalmaya karşılık gelir.
2. Eğim açısı farkı 20 dereceye ulaştığında (örneğin 30 derece vs 10 derece), yıllık akım farkı %12'yi aşabilir.
3. Anlık akım farkları yıllık ortalama farklardan çok daha büyük. Örneğin, yaz gündönümünde öğle saatlerinde güneş yükseklik açısı yaklaşık 83,5 derecedir; bu sırada 10 derecelik eğim açısına sahip bir modülün aldığı doğrudan ışınım, 30 derecelik eğim açısına sahip bir modülün aldığından yaklaşık %15 daha yüksektir; kış gündönümünde öğle saatlerinde güneş yükseklik açısı yaklaşık 36,5 derecedir ve 10 derecelik eğim açısına sahip bir modülün aldığı doğrudan ışınım, 30 derecelik eğim açısına sahip bir modülün aldığından yaklaşık %25 daha düşüktür.
4. Modül Uyuşmazlığına Yönelik Temel Çözümlerin Karşılaştırılması
Modül uyumsuzluğu problemine yönelik olarak endüstride temel fikri modül uyumsuzluğu olan çeşitli çözümler geliştirilmiştir."seri akımların tutarlı olması gerekir" kısıtlamasını ihlal edinveyaakım farklılıklarını en aza indirin.
4.1 Eğim Açısı Uyuşmazlığı için Özel Tasarım Optimizasyonu
Bu, en temel ve en düşük maliyetli-çözümdür ve aynı zamanda tüm projelerin ilk olarak benimsemesi gereken önlemdir:
1. "Aynı eğim açısı, aynı dize" ilkesini kesinlikle uygulayın: Eğim açısı uyumsuzluğunu önlemenin altın kuralı budur. Aynı eğim açısına ve azimut açısına sahip modüller aynı dizide seri olarak bağlanmalı ve farklı eğim açılarına/yönelimlerine sahip modüller asla birbirine seri olarak bağlanmamalıdır.
2. Dize uzunluğunu makul ölçüde kısaltın: Eğim açısı farklılıklarının büyük olduğu alanlarda, dizi uzunluğunun uygun şekilde kısaltılması (22-24 modülden 18-20 modüle) uyumsuzluğun etki aralığını azaltabilir.
3. İnvertör MPPT kanal bölümünü optimize edin: Farklı eğim açısı bölgelerindeki dizileri farklı MPPT kanallarına bağlayın, böylece her MPPT kanalı yalnızca aynı eğim açısına sahip dizilerin maksimum güç noktasını izler.
4.2 Dize Çevirici: Çoklu-MPPT İnvertörler
Geleneksel merkezi invertörler genellikle yalnızca 1-2 MPPT kanalına sahipken, modern dizi invertörler genellikle birden fazla bağımsız MPPT kanalıyla donatılmıştır (6-12 veya daha fazla). Her MPPT kanalı, farklı dizilerin maksimum güç noktasını bağımsız olarak izleyebilir, böylece uyumsuzluğun etkisi tek bir MPPT kanalıyla sınırlandırılır.
Eğim açısı uyumsuzluğu üzerindeki etkisi: Farklı eğim açısı bölgeleri arasındaki uyumsuzluk problemini etkili bir şekilde çözebilir, ancak yine de aynı bölgedeki diziler arasındaki eğim açısı farklılıklarını çözemez.
4.3 Modül-Seviye Güç Elektroniği (MLPE) Teknolojisi
Bu, şu anda, esas olarak güç optimize ediciler ve mikro invertörler dahil olmak üzere, eğim açısı uyumsuzluğunu çözmek için en etkili teknik çözümdür:
1. Güç Optimize Edici
Güç optimize ediciler, modüllerle bire bir-bire- karşılık gelecek şekilde her modülün arkasına takılıdır. Her modülün çalışma voltajını ve akımını bağımsız olarak ayarlayabilir, her modülün kendi maksimum güç noktasında çalışmasını sağlayabilir ve ardından seri devreye doğru akım çıkışı sağlayabilir.
Eğim açısı uyumsuzluğu üzerindeki etkisi: Dizi içindeki herhangi bir eğim açısı farkından kaynaklanan akım uyumsuzluğunu tamamen ortadan kaldırarak her modülün maksimum akımını çıkarmasını sağlar. Ölçülen veriler, büyük eğim açısı farklılıklarına sahip dağlık enerji santrallerinde, güç optimizerlerinin kullanımının enerji üretimini %15-%20 oranında artırabildiğini göstermektedir.
2. Mikro invertör
Mikro invertörler doğrudan her modülün arkasına monte edilir ve modülün doğru akım çıkışını doğrudan alternatif akıma dönüştürür ve bu daha sonra şebekeye paralel olarak bağlanır. Her modül, seri akım kısıtlamalarından tamamen arınmış, bağımsız bir güç üretim ünitesidir.
Eğim açısı uyumsuzluğu üzerindeki etkisi: Tüm eğim açısı uyumsuzluk sorunlarını tamamen çözer ve her modül, eğim açısı farkından bağımsız olarak bağımsız çalışabilir.
Firmamız yukarıda belirtilen tüm çözümleri ve komple sistemleri sağlayabilmektedir. Onlara ihtiyacınız varsa lütfen bizimle iletişime geçin!
7. Gelecekteki Kalkınma Eğilimleri
PV teknolojisinin sürekli gelişmesiyle birlikte modül uyumsuzluğu sorununa yönelik çözümler de sürekli olarak yenileniyor ve gelişiyor:
1. Daha yüksek verimli MLPE teknolojisi: Yeni-nesil güç optimize edicilerin ve mikro çeviricilerin dönüşüm verimliliği %99'u aştı; kendi-enerji tüketimi daha da azaldı ve maliyetler sürekli düştü.
2. Akıllı modül teknolojisi: Akıllı modüller oluşturmak için güç optimize edicileri veya mikro çeviricileri modüllerle entegre etme, kurulum sürecini basitleştirme ve sistem güvenilirliğini artırma.
3. Dijital ikiz teknolojisi: PV enerji santralinin sanal bir modelini oluşturmak için dijital ikiz teknolojisinin kullanılması, farklı çalışma koşulları altında uyumsuzluk kayıplarının doğru bir şekilde simüle edilmesi ve erken uyarı ile optimum kontrolün gerçekleştirilmesi.
4. Yeni pil teknolojisi: Kiremitli modüller, yarım-kesilmiş modüller, dilimlenmiş modüller vb. gibi, hücre segmentasyonu ve optimize edilmiş bağlantı yöntemleri yoluyla gölgelemenin ve uyumsuzluğun etkisini azaltır. Örneğin, yarım-kesilmiş modüller, gölgelemeden kaynaklanan güç kaybını yaklaşık %50 oranında azaltabilir.
Modül uyumsuzluğu PV sistemlerde kaçınılmaz bir olgudur.karmaşık kurulum senaryolarında uyumsuzluğun ana nedeni eğim açısı farkıdırve bunun sonucunda ortaya çıkan enerji üretim kaybı %15'in üzerine çıkabilir. Eğim açısı farklılıkları, modüller tarafından alınan güneş ışınımı miktarını etkileyerek doğrudan modüllerin tutarsız çıkış akımlarına yol açar ve ardından seri devrenin "kova etkisi" yoluyla tüm dizinin güç üretimini sınırlandırır.
Farklı tipteki PV santraller için arazi koşulları, eğim açısı farkı büyüklüğü, yatırım bütçesi gibi faktörlere göre en uygun uyumsuzluk çözümü seçilmelidir. Yere monte-elektrik santralleri, çoklu-dizi invertörlere öncelik verebilir; Büyük eğim açısı farklılıklarına sahip dağlık alanlar ve çatılar gibi karmaşık senaryolar için modül düzeyindeki güç elektroniği teknolojisi, enerji üretiminde önemli iyileştirmeler ve yatırım getirisi sağlayacaktır.
