Tóm tắt
Mô-đun không khớp là một trong những điểm nghẽn kỹ thuật cốt lõi hạn chế việc cải thiện hiệu suất phát điện của hệ thống quang điện (PV). Bản chất của nó là "hiệu ứng xô" do dòng điện đầu ra không nhất quán của mô-đun PV trong mạch nối tiếp gây ra. Theo số liệu thống kê từ Chương trình Hệ thống Điện quang điện (PVPS) của Cơ quan Năng lượng Quốc tế (IEA), tổn thất phát điện trung bình toàn cầu do sự không phù hợp trong các nhà máy điện PV dao động từ 5% đến 15%, thậm chí có thể vượt quá 20% ở các nhà máy có địa hình phức tạp hoặc vận hành và bảo trì kém. Trong số đó, chênh lệch góc nghiêng là nguyên nhân chủ yếu gây ra sự không khớp trong các tình huống lắp đặt phức tạp như khu vực miền núi và mái nhà, chiếm khoảng 40%-60% tổng tổn thất không khớp.
1.Nguyên tắc cơ bản và cơ chế vật lý của mô-đun PV không khớp
1.1 Đặc tính điện của Mô-đun PV
Đặc tính đầu ra của mô-đun PV được xác định bởi đường cong-điện áp (I-V) hiện tại và đường cong công suất-điện áp (P-V). Trong Điều kiện thử nghiệm tiêu chuẩn (STC: bức xạ 1000W/m2, nhiệt độ tế bào 25 độ, phổ AM1.5), một mô-đun duy nhất có Điểm công suất tối đa (MPP) duy nhất.
Dòng điện ngắn mạch (Isc) của mô-đun quang điện xấp xỉ tỷ lệ với lượng bức xạ mặt trời chiếu tới bề mặt tế bào, đây là cơ sở vật lý cốt lõi cho sự không phù hợp hiện tại do sự khác biệt về góc nghiêng. Công thức được thể hiện như sau:
Isc ≈ Isc_STC ×(G/GSTC)
Ở đâu:
• Isc: Dòng điện ngắn mạch thực tế (A)
• Isc_STC: Dòng điện ngắn mạch-trong điều kiện thử nghiệm tiêu chuẩn (A)
• G: Bức xạ tới thực tế (W/m2)
• G_STC: Bức xạ thử nghiệm tiêu chuẩn (1000W/m2)
Khi nhiều mô-đun được kết nối nối tiếp để tạo thành một chuỗi, theo Luật hiện hành của Kirchhoff,tất cả các mô-đun trong mạch nối tiếp phải hoạt động ở cùng một dòng điện; trong khi tổng điện áp của chuỗi bằng tổng điện áp hoạt động của từng mô-đun. Đặc tính này xác định rằng các hệ thống nối tiếp cực kỳ nhạy cảm với sự khác biệt hiện tại.
1.2 Cơ chế cốt lõi của hiện tượng không phù hợp
"Hiệu ứng thùng" (còn được gọi là "liên kết yếu nhất" hoặc "hiệu ứng thắt cổ chai") là một sự tương tự hoàn hảo cho những gì xảy ra trong-mô-đun PV được kết nối nối tiếp. Hãy tưởng tượng một loạt thùng được nối thành một chuỗi, mỗi thùng có dung tích khác nhau. Lượng nước có thể chảy qua toàn bộ hệ thống bị giới hạn bởi thùng có dung tích nhỏ nhất-bất kể các thùng khác lớn đến mức nào.
Trong chuỗi quang điện, các mô-đun được nối điện nối tiếp, nghĩa là tất cả chúng phải có cùng một dòng điện chạy qua. Mô-đun nhận được ít bức xạ nhất (do góc dưới tối ưu) sẽ tạo ra dòng điện thấp nhất. Điều này buộc dòng điện của toàn bộ chuỗi phải phù hợp với mô-đun có hiệu suất thấp nhất, khiến-các mô-đun có hiệu suất cao hơn hoạt động dưới mức tiềm năng của chúng. Tổn thất điện năng có thể rất lớn, vượt xa tổng mức giảm đơn giản của từng cá nhân.
2. Nguyên nhân chính khiến mô-đun PV không khớp
Nguyên nhân của sự không khớp mô-đun rất phức tạp và đa dạng, có thể chia thành hai loại: không khớp bẩm sinh và không khớp mắc phải.
2.1 Sự không phù hợp bẩm sinh: Sự khác biệt về thông số của nhà máy
Ngay cả các mô-đun được sản xuất trong cùng một lô cũng có sự khác biệt nhỏ về thông số hiệu suất điện do các yếu tố như độ tinh khiết của vật liệu bán dẫn và sự biến động của quy trình sản xuất. Các nhà sản xuất mô-đun thường thực hiện phân loại công suất (đóng gói) trên các mô-đun, nhưng các mô-đun trong cùng một ngăn nguồn có thể vẫn có chênh lệch dòng điện trong khoảng ±2,5%.
Tổn thất không khớp gây ra bởi sự khác biệt về thông số nhà máy như vậy thường là 2% -3%, đây là tổn thất không khớp cơ bản không thể tránh khỏi hoàn toàn trong tất cả các hệ thống PV.
2.2 Sự không phù hợp mắc phải: Môi trường vận hành và các yếu tố vận hành & bảo trì
Đây là nguyên nhân chính khiến tổn thất không khớp thực tế của hệ thống lớn hơn nhiều so với giá trị cơ bản, cụ thể bao gồm:
• Góc nghiêng và góc phương vị không nhất quán(sẽ được phân tích sâu bên dưới)
• Màu sắc không phù hợp: Đã sửa lỗi tạo bóng từ các tòa nhà, cây cối, núi xung quanh, v.v. và tạo bóng động từ mây, chim, v.v.
• Làm bẩn và lão hóa không phù hợp: Các vết bẩn không đều như bụi, tuyết, phân chim trên bề mặt mô-đun và sự khác biệt về tốc độ lão hóa sau khi-hoạt động lâu dài
• Nhiệt độ không phù hợp: Nhiệt độ không đồng đều do điều kiện tản nhiệt khác nhau của mô-đun
3. Cơ chế chuyên sâu và phân tích định lượng về sự không phù hợp do sự khác biệt về góc nghiêng gây ra
Góc nghiêng không khớp đề cập đến góc nghiêng lắp đặt không nhất quán (góc giữa mặt phẳng mô-đun và mặt phẳng nằm ngang) của các mô-đun khác nhau trong cùng một chuỗi chuỗi, dẫn đến lượng bức xạ mặt trời mà mỗi mô-đun nhận được khác nhau và do đó có sự khác biệt về dòng điện đầu ra. Đây là loại không phù hợp phổ biến nhất và dễ bị bỏ qua trong hệ thống điện mặt trời miền núi và hệ thống điện mặt trời phân tán trên mái nhà.
3.1 Những lý do chính khiến sự khác biệt về góc lắp đặt làm trầm trọng thêm vấn đề này:
• Sự thay đổi bức xạ: Mô-đun nghiêng ở một góc khác sẽ thu được ít ánh nắng trực tiếp hơn, đặc biệt là trong giờ cao điểm. Ví dụ: trên mái dốc có độ cao khác nhau, các mô-đun hướng về phía nam-ở độ nghiêng tối ưu có thể hoạt động tốt, trong khi các mô-đun khác ở góc nông hơn hoặc dốc hơn lại hoạt động kém hơn.
• Tác động hàng ngày và theo mùa: Các góc không chỉ ảnh hưởng đến sản lượng cao nhất mà còn cả hiệu suất trong ngày. Độ nghiêng không{1}}đồng nhất dẫn đến đường cong IV không khớp (đặc điểm điện áp-dòng điện), làm tăng tổn thất không khớp.
• Kết hợp với các yếu tố khác: Sự khác biệt về góc có thể làm xấu đi hiệu ứng đổ bóng hoặc độ dốc nhiệt độ, vì các mô-đun có góc kém có thể tỏa nhiệt khác nhau.
3.2 Mối tương quan định lượng giữa chênh lệch góc nghiêng và dòng điện đầu ra của mô-đun
Chúng ta có thể định lượng mối quan hệ giữa chênh lệch góc nghiêng và chênh lệch dòng điện bằng cách tính toán chính xác tổng bức xạ mặt phẳng ở các góc nghiêng khác nhau. Lấyvùng vĩ độ 30 độ Bắc(Lưu vực sông Dương Tử ở Trung Quốc) làm ví dụ, bảng sau đây cho thấy sự khác biệt về tổng bức xạ hàng năm và dòng điện ngắn mạch- đối với các góc nghiêng lắp đặt khác nhau so với góc nghiêng tối ưu (khoảng 30 độ ):
Góc nghiêng cài đặt ( bằng cấp ) | Tổng bức xạ hàng năm (kWh/m2) | Chênh lệch bức xạ so với góc nghiêng tối ưu (%) | Ngắn mạch-Chênh lệch dòng điện trong mạch (%) |
| 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 (Tối ưu) | 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 |
Kết luận chính:
1. Ở vùng vĩ độ 30 độ Bắc, cứ lệch 5 độ so với góc nghiêng tối ưu, bức xạ hàng năm giảm khoảng 2%-4%, tương ứng với mức giảm 2%-4% của dòng điện ngắn mạch.
2. Khi chênh lệch góc nghiêng đạt tới 20 độ (ví dụ: 30 độ so với 10 độ), chênh lệch dòng điện hàng năm có thể vượt quá 12%.
3. Chênh lệch hiện tại tức thời lớn hơn nhiều so với chênh lệch trung bình hàng năm. Ví dụ, vào buổi trưa ngày hạ chí, góc cao mặt trời xấp xỉ 83,5 độ, tại thời điểm đó, bức xạ trực tiếp mà mô-đun có góc nghiêng 10 độ nhận được cao hơn khoảng 15% so với bức xạ trực tiếp mà mô-đun có góc nghiêng 30 độ nhận được; trong khi vào buổi trưa ngày đông chí, góc cao mặt trời xấp xỉ 36,5 độ và bức xạ trực tiếp mà mô-đun có góc nghiêng 10 độ nhận được thấp hơn khoảng 25% so với bức xạ trực tiếp mà mô-đun có góc nghiêng 30 độ nhận được.
4. So sánh các giải pháp chính thống cho mô-đun không khớp
Nhằm giải quyết vấn đề mô-đun không khớp, nhiều giải pháp khác nhau đã được phát triển trong ngành, với ý tưởng cốt lõi làphá vỡ hạn chế rằng "dòng điện nối tiếp phải nhất quán"hoặcgiảm thiểu sự khác biệt hiện tại.
4.1 Tối ưu hóa thiết kế đặc biệt cho góc nghiêng không khớp
Đây là giải pháp cơ bản nhất và có chi phí{0} thấp nhất, đồng thời cũng là biện pháp mà tất cả các dự án trước tiên nên áp dụng:
1. Thực hiện nghiêm túc nguyên tắc “cùng góc nghiêng, cùng dây”: Đây là nguyên tắc vàng để tránh góc nghiêng không khớp. Các mô-đun có cùng góc nghiêng và góc phương vị phải được kết nối nối tiếp trong cùng một chuỗi và các mô-đun có góc nghiêng/hướng khác nhau không bao giờ được kết nối nối tiếp với nhau.
2. Rút ngắn độ dài chuỗi một cách hợp lý: Ở những khu vực có chênh lệch góc nghiêng lớn, việc rút ngắn độ dài chuỗi một cách thích hợp (từ 22-24 mô-đun xuống 18-20 mô-đun) có thể làm giảm phạm vi tác động của sự không khớp.
3. Tối ưu hóa việc phân chia kênh MPPT biến tần: Kết nối các chuỗi từ các vùng góc nghiêng khác nhau với các kênh MPPT khác nhau, sao cho mỗi kênh MPPT chỉ theo dõi điểm công suất tối đa của các chuỗi có cùng góc nghiêng.
4.2 Biến tần chuỗi: Bộ biến tần MPPT đa{0}}
Bộ biến tần trung tâm truyền thống thường chỉ có 1-2 kênh MPPT, trong khi bộ biến tần chuỗi hiện đại thường được trang bị nhiều kênh MPPT độc lập (6-12 hoặc thậm chí nhiều hơn). Mỗi kênh MPPT có thể theo dõi độc lập điểm công suất tối đa của các chuỗi khác nhau, do đó hạn chế tác động của việc không khớp với một kênh MPPT.
Ảnh hưởng đến góc nghiêng không khớp: Có thể giải quyết hiệu quả vấn đề không khớp giữa các vùng góc nghiêng khác nhau, nhưng vẫn không thể giải quyết sự khác biệt về góc nghiêng trong các chuỗi trong cùng một vùng.
4.3 Mô-đun-Công nghệ điện tử công suất cấp độ (MLPE)
Đây là giải pháp kỹ thuật hiệu quả nhất hiện nay để giải quyết vấn đề góc nghiêng không khớp, chủ yếu bao gồm các bộ tối ưu hóa nguồn điện và bộ chuyển đổi vi mô:
1. Trình tối ưu hóa năng lượng
Trình tối ưu hóa năng lượng được cài đặt ở mặt sau của mỗi mô-đun, tương ứng với từng mô-đun. Nó có thể điều chỉnh độc lập điện áp và dòng điện hoạt động của từng mô-đun, làm cho mỗi mô-đun hoạt động ở điểm công suất tối đa của riêng nó, sau đó xuất dòng điện một chiều tới mạch nối tiếp.
Ảnh hưởng đến góc nghiêng không khớp: Có thể loại bỏ hoàn toàn sự không phù hợp hiện tại do bất kỳ sự khác biệt về góc nghiêng nào trong chuỗi gây ra, cho phép mỗi mô-đun xuất ra dòng điện tối đa. Dữ liệu đo được cho thấy ở các nhà máy điện miền núi có góc nghiêng chênh lệch lớn, việc sử dụng bộ tối ưu hóa năng lượng có thể tăng sản lượng điện phát điện lên 15%-20%.
2. Biến tần vi mô
Bộ biến tần vi mô được lắp đặt trực tiếp ở mặt sau của mỗi mô-đun, chuyển đổi trực tiếp đầu ra dòng điện một chiều của mô-đun thành dòng điện xoay chiều, sau đó được kết nối song song với lưới điện. Mỗi mô-đun là một đơn vị phát điện độc lập, hoàn toàn không bị hạn chế về dòng điện nối tiếp.
Ảnh hưởng đến góc nghiêng không khớp: Giải quyết hoàn toàn mọi vấn đề về góc nghiêng không khớp và mỗi mô-đun có thể hoạt động độc lập bất kể sự khác biệt về góc nghiêng.
Công ty chúng tôi có thể cung cấp tất cả các giải pháp và hệ thống hoàn chỉnh nêu trên. Nếu bạn cần chúng, xin vui lòng liên hệ với chúng tôi!
7. Xu hướng phát triển trong tương lai
Với sự tiến bộ không ngừng của công nghệ PV, các giải pháp cho vấn đề mô-đun không khớp cũng không ngừng đổi mới và phát triển:
1. Công nghệ MLPE hiệu quả cao hơn: Hiệu suất chuyển đổi của các bộ biến tần vi mô và bộ tối ưu hóa năng lượng-thế hệ mới đã vượt quá 99%, đồng thời giảm thêm-mức tiêu thụ điện năng tự thân và chi phí liên tục giảm.
2. Công nghệ mô-đun thông minh: Tích hợp các bộ tối ưu hóa nguồn hoặc bộ biến tần vi mô với các mô-đun để tạo thành các mô-đun thông minh, đơn giản hóa quá trình cài đặt và nâng cao độ tin cậy của hệ thống.
3. Công nghệ song sinh kỹ thuật số: Sử dụng công nghệ bản sao kỹ thuật số để xây dựng mô hình ảo của nhà máy điện PV, mô phỏng chính xác tổn thất không khớp trong các điều kiện làm việc khác nhau, đồng thời thực hiện cảnh báo sớm và kiểm soát tối ưu.
4. Công nghệ pin mới: Chẳng hạn như mô-đun ghép, mô-đun cắt một nửa, mô-đun được cắt lát, v.v., làm giảm tác động của bóng đổ và không khớp thông qua phân đoạn ô và phương pháp kết nối được tối ưu hóa. Ví dụ: mô-đun cắt một nửa có thể giảm tổn thất điện năng do bóng đổ khoảng 50%.
Mô-đun không khớp là hiện tượng không thể tránh khỏi trong hệ thống PV,trong đó chênh lệch góc nghiêng là nguyên nhân chính gây ra sự không phù hợp trong các tình huống lắp đặt phức tạpvà tổn thất phát điện có thể lên tới hơn 15%. Sự khác biệt về góc nghiêng trực tiếp dẫn đến dòng điện đầu ra của mô-đun không nhất quán bằng cách ảnh hưởng đến lượng bức xạ mặt trời mà mô-đun nhận được, sau đó hạn chế việc phát điện của toàn bộ chuỗi thông qua "hiệu ứng xô" của mạch nối tiếp.
Đối với các loại nhà máy điện PV khác nhau, nên lựa chọn giải pháp không phù hợp nhất dựa trên các yếu tố như điều kiện địa hình, kích thước chênh lệch góc nghiêng và ngân sách đầu tư. Các nhà máy điện gắn trên mặt đất có thể ưu tiên cho nhiều bộ biến tần chuỗi MPPT; đối với các tình huống phức tạp như khu vực miền núi và mái nhà có chênh lệch góc nghiêng lớn, công nghệ điện tử công suất-ở cấp mô-đun sẽ mang lại những cải tiến đáng kể về sản xuất điện và lợi tức đầu tư.
