خلاصة
يعد عدم تطابق الوحدة أحد الاختناقات الفنية الأساسية التي تحد من تحسين كفاءة توليد الطاقة في النظام الكهروضوئي (PV). جوهرها هو "تأثير الجرافة" الناجم عن تيارات الخرج غير المتناسقة للوحدات الكهروضوئية في دائرة متسلسلة. وفقًا لإحصائيات برنامج أنظمة الطاقة الكهروضوئية التابع لوكالة الطاقة الدولية (IEA)، فإن متوسط فقدان توليد الطاقة العالمي بسبب عدم التطابق في محطات الطاقة الكهروضوئية يتراوح من 5% إلى 15%، ويمكن أن يتجاوز 20% في المحطات ذات التضاريس المعقدة أو سوء التشغيل والصيانة. من بينها، يعد اختلاف زاوية الميل هو السبب الأكثر شيوعًا لعدم التطابق في سيناريوهات التثبيت المعقدة مثل المناطق الجبلية وأسطح المنازل، وهو ما يمثل حوالي 40%-60% من إجمالي خسائر عدم التطابق.
1.المبادئ الأساسية والآليات الفيزيائية لعدم تطابق الوحدة الكهروضوئية
1.1 الخصائص الكهربائية للوحدات الكهروضوئية
يتم تحديد خصائص مخرجات الوحدة الكهروضوئية من خلال منحنى -الجهد (I-V) الحالي ومنحنى الطاقة-الجهد (P-V). في ظل ظروف الاختبار القياسية (STC: الإشعاع 1000 وات/م²، درجة حرارة الخلية 25 درجة، طيف AM1.5)، تحتوي الوحدة الواحدة على نقطة طاقة قصوى فريدة (MPP).
يتناسب تيار الدائرة القصيرة- (Isc) للوحدة الكهروضوئية تقريبًا مع حادث الإشعاع الشمسي على سطح الخلية، وهو الأساس المادي الأساسي لعدم التطابق الحالي الناجم عن اختلافات زاوية الميل. يتم التعبير عن الصيغة على النحو التالي:
إيسك ≈ إيسك_STC ×(G/GSTC)
أين:
• Isc: تيار الدائرة القصيرة الفعلي- (A)
• Isc_STC: تيار الدائرة القصيرة - في ظل ظروف الاختبار القياسية (A)
• G: الإشعاع الحادث الفعلي (W/m²)
• G_STC: إشعاع الاختبار القياسي (1000 واط/م²)
عندما يتم توصيل وحدات متعددة في سلسلة لتكوين سلسلة، وفقًا لقانون كيرشوف الحالي،يجب أن تعمل جميع الوحدات في الدائرة المتسلسلة بنفس التيار; بينما الجهد الإجمالي للسلسلة يساوي مجموع جهود التشغيل لكل وحدة. تحدد هذه الخاصية أن أنظمة السلسلة حساسة للغاية للاختلافات الحالية.
1.2 الآلية الأساسية لظاهرة عدم التطابق
يعد "تأثير البرميل" (المعروف أيضًا باسم "الرابط الأضعف" أو "تأثير عنق الزجاجة") تشبيهًا مثاليًا لما يحدث في سلسلة -وحدات كهروضوئية متصلة. تخيل سلسلة من البراميل المتصلة في سلسلة، ولكل منها سعة مختلفة. كمية المياه التي يمكن أن تتدفق عبر النظام بأكمله تكون محدودة بالبرميل ذي السعة الأصغر-بغض النظر عن حجم البراميل الأخرى.
في السلسلة الكهروضوئية، يتم توصيل الوحدات كهربائيًا على التوالي، مما يعني أن نفس التيار يجب أن يتدفق عبرها جميعًا. الوحدة التي تتلقى أقل إشعاع (بسبب زاوية دون المستوى الأمثل) سوف تولد أقل تيار. يؤدي هذا إلى إجبار تيار السلسلة بأكملها على مطابقة الأداء الأقل، مما يتسبب في أن تعمل الوحدات ذات الأداء الأعلى-بأقل من إمكاناتها. يمكن أن تكون خسائر الطاقة كبيرة، وتتجاوز بكثير المبلغ البسيط للتخفيضات الفردية.
2. الأسباب الرئيسية لعدم تطابق الوحدة الكهروضوئية
أسباب عدم تطابق الوحدة معقدة ومتنوعة، ويمكن تقسيمها إلى فئتين: عدم التطابق الخلقي وعدم التطابق المكتسب.
2.1 عدم التطابق الخلقي: اختلافات معلمات المصنع
حتى الوحدات المنتجة في نفس الدفعة لها اختلافات طفيفة في معلمات أدائها الكهربائي بسبب عوامل مثل نقاء مادة أشباه الموصلات وتقلبات عملية الإنتاج. عادةً ما يقوم مصنعو الوحدات بتنفيذ تصنيف الطاقة (التجميع) على الوحدات، ولكن الوحدات الموجودة في نفس صندوق الطاقة قد لا تزال بها اختلافات تيار في حدود ±2.5%.
عادة ما تكون خسارة عدم التطابق الناتجة عن اختلافات معلمات المصنع من 2% إلى 3%، وهي خسارة عدم تطابق أساسية لا يمكن تجنبها تمامًا في جميع الأنظمة الكهروضوئية.
2.2 عدم التطابق المكتسب: بيئة التشغيل وعوامل التشغيل والصيانة
هذا هو السبب الرئيسي وراء كون خسارة عدم تطابق النظام الفعلية أكبر بكثير من القيمة الأساسية، بما في ذلك على وجه التحديد:
• زوايا الميل غير متناسقة وزوايا السمت(سيتم تحليلها بعمق أدناه)
• عدم تطابق التظليل: التظليل الثابت من المباني المحيطة والأشجار والجبال وغيرها، والتظليل الديناميكي من السحب والطيور وغيرها.
• عدم تطابق الاتساخ والشيخوخة: الاتساخ غير المتساوي مثل الغبار والثلج وفضلات الطيور على سطح الوحدة والاختلافات في معدلات التقادم بعد-التشغيل طويل الأمد
• عدم تطابق درجة الحرارة: درجات الحرارة غير المتساوية الناجمة عن ظروف تبديد الحرارة المختلفة للوحدات
3.-آلية متعمقة وتحليل كمي لعدم التطابق الناتج عن اختلافات زاوية الميل
يشير عدم تطابق زاوية الميل إلى زوايا إمالة التثبيت غير المتناسقة (الزاوية بين مستوى الوحدة والمستوى الأفقي) لوحدات مختلفة في نفس سلسلة السلسلة، مما يؤدي إلى كميات مختلفة من الإشعاع الشمسي الذي تتلقاه كل وحدة، وبالتالي اختلافات في تيار الإخراج. هذا هو النوع الأكثر شيوعًا والذي يتم التغاضي عنه بسهولة في الأنظمة الكهروضوئية الجبلية والأنظمة الكهروضوئية الموزعة على الأسطح.
3.1 الأسباب الرئيسية لاختلافات زاوية التثبيت تؤدي إلى تفاقم هذا الأمر:
• تباين الإشعاع: تلتقط الوحدة المائلة بزاوية مختلفة قدرًا أقل من أشعة الشمس المباشرة، خاصة خلال ساعات الذروة. على سبيل المثال، على سطح منحدر بدرجات متفاوتة، قد يكون أداء الوحدات المواجهة للجنوب-بإمالة مثالية جيدًا، بينما يكون أداء الوحدات الأخرى ذات الزوايا الأقل عمقًا أو الأكثر انحدارًا أقل من الأداء.
• التأثير اليومي والموسمي: لا تؤثر الزوايا على ذروة الإنتاج فحسب، بل تؤثر أيضًا على الأداء على مدار اليوم. تؤدي الميلات غير المنتظمة- إلى منحنيات IV غير متطابقة (خصائص الجهد الحالي-)، مما يؤدي إلى زيادة خسائر عدم التطابق.
• الدمج مع عوامل أخرى: يمكن أن تؤدي اختلافات الزوايا إلى تفاقم تأثيرات التظليل أو تدرجات درجات الحرارة، حيث قد تسخن الوحدات ذات الزوايا السيئة بشكل مختلف.
3.2 العلاقة الكمية بين فرق زاوية الميل وتيار خرج الوحدة
يمكننا قياس العلاقة بين فرق زاوية الميل وفرق التيار عن طريق الحساب الدقيق لإشعاع المستوى الإجمالي عند زوايا ميل مختلفة. أخذمنطقة خط العرض 30 درجة شمالاً(حوض نهر اليانغتسى في الصين) على سبيل المثال، يوضح الجدول التالي إجمالي الإشعاع السنوي واختلافات تيار الدائرة القصيرة-لزوايا ميل التثبيت المختلفة بالنسبة إلى زاوية الميل المثالية (حوالي 30 درجة ):
زاوية إمالة التثبيت ( درجة ) | إجمالي الإشعاع السنوي (كيلووات ساعة/م²) | فرق الإشعاع بالنسبة إلى زاوية الميل المثالية (%) | -فرق تيار الدائرة القصيرة (%) |
| 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 (الأمثل) | 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 |
الاستنتاجات الرئيسية:
1. في منطقة خط العرض 30 درجة شمالًا، لكل انحراف بمقدار 5 درجات عن زاوية الميل المثالية، ينخفض الإشعاع السنوي بحوالي 2%-4%، وهو ما يعادل انخفاضًا بنسبة 2%-4% في تيار الدائرة القصيرة.
2. عندما يصل فرق زاوية الميل إلى 20 درجة (على سبيل المثال، 30 درجة مقابل 10 درجة)، يمكن أن يتجاوز فرق التيار السنوي 12%.
3. الاختلافات الحالية اللحظية أكبر بكثير من متوسط الفروق السنوية. على سبيل المثال، عند الظهر في الانقلاب الصيفي، تبلغ زاوية ارتفاع الشمس حوالي 83.5 درجة، وفي ذلك الوقت يكون الإشعاع المباشر الذي تستقبله وحدة بزاوية ميل 10 درجات أعلى بحوالي 15٪ من الإشعاع الذي تستقبله وحدة بزاوية ميل 30 درجة؛ بينما عند الظهر في الانقلاب الشتوي، تبلغ زاوية ارتفاع الشمس حوالي 36.5 درجة، والإشعاع المباشر الذي تستقبله وحدة بزاوية ميل 10 درجات أقل بحوالي 25٪ من ذلك الذي تستقبله وحدة بزاوية ميل 30 درجة.
4. مقارنة الحلول السائدة لعدم تطابق الوحدة النمطية
بهدف حل مشكلة عدم تطابق الوحدة النمطية، تم تطوير حلول مختلفة في الصناعة، والتي تتمثل فكرتها الأساسية فيكسر القيد الذي ينص على أن "التيارات المتسلسلة يجب أن تكون متسقة"أوتقليل الاختلافات الحالية.
4.1 تحسين التصميم الخاص لعدم تطابق زاوية الميل
هذا هو الحل الأساسي والأقل تكلفة-، وهو أيضًا الإجراء الذي يجب على جميع المشروعات اعتماده أولاً:
1. التنفيذ الصارم لمبدأ "نفس زاوية الميل، نفس السلسلة".: هذه هي القاعدة الذهبية لمنع عدم تطابق زاوية الميل. يجب أن يتم توصيل الوحدات التي لها نفس زاوية الميل وزاوية السمت في سلسلة في نفس السلسلة، ولا يجب أبدًا توصيل الوحدات ذات زوايا/اتجاهات ميل مختلفة في سلسلة معًا.
2. تقصير طول السلسلة بشكل معقول: في المناطق ذات الاختلافات الكبيرة في زاوية الميل، يمكن أن يؤدي تقصير طول السلسلة بشكل مناسب (من 22-24 وحدة إلى 18-20 وحدة) إلى تقليل نطاق تأثير عدم التطابق.
3. تحسين تقسيم قناة MPPT العاكس: قم بتوصيل سلاسل من مناطق زاوية ميل مختلفة بقنوات MPPT مختلفة، بحيث تتبع كل قناة MPPT فقط نقطة الطاقة القصوى للسلاسل ذات زاوية الميل نفسها.
4.2 العاكس سلسلة: محولات -MPPT متعددة
عادة ما تحتوي المحولات المركزية التقليدية على 1-2 قناة MPPT فقط، في حين أن محولات السلسلة الحديثة مجهزة عمومًا بقنوات MPPT متعددة مستقلة (6-12 أو أكثر). يمكن لكل قناة MPPT أن تتبع بشكل مستقل أقصى نقطة طاقة لسلاسل مختلفة، مما يحد من تأثير عدم التطابق على قناة MPPT واحدة.
التأثير على عدم تطابق زاوية الميل: يمكن أن يحل بشكل فعال مشكلة عدم التطابق بين مناطق زاوية الميل المختلفة، ولكن لا يزال غير قادر على حل اختلافات زاوية الميل داخل السلاسل في نفس المنطقة.
4.3 الوحدة النمطية-تقنية إلكترونيات الطاقة (MLPE).
يعد هذا حاليًا هو الحل التقني الأكثر فعالية لحل عدم تطابق زاوية الميل، بما في ذلك بشكل أساسي محسنات الطاقة والمحولات الدقيقة:
1. محسن الطاقة
يتم تثبيت أدوات تحسين الطاقة في الجزء الخلفي من كل وحدة، بحيث تتوافق مع الوحدات-واحدة-واحدة. يمكنه ضبط جهد التشغيل والتيار لكل وحدة بشكل مستقل، مما يجعل كل وحدة تعمل بأقصى نقطة طاقة خاصة بها، ثم إخراج التيار المباشر إلى دائرة السلسلة.
التأثير على عدم تطابق زاوية الميل: يمكنه القضاء تمامًا على عدم تطابق التيار الناتج عن أي اختلاف في زاوية الميل داخل السلسلة، مما يسمح لكل وحدة بإخراج أقصى تيار لها. تظهر البيانات المقاسة أنه في محطات الطاقة الجبلية ذات الاختلافات الكبيرة في زاوية الميل، يمكن أن يؤدي استخدام محسنات الطاقة إلى زيادة توليد الطاقة بنسبة 15%-20%.
2. العاكس الصغير
يتم تثبيت العاكسات الدقيقة مباشرة على الجزء الخلفي من كل وحدة، مما يحول خرج التيار المباشر بواسطة الوحدة مباشرة إلى تيار متردد، والذي يتم بعد ذلك توصيله بالتوازي مع الشبكة. كل وحدة هي وحدة مستقلة لتوليد الطاقة، خالية تمامًا من القيود الحالية للسلسلة.
التأثير على عدم تطابق زاوية الميل: يحل تمامًا جميع مشكلات عدم تطابق زاوية الميل، ويمكن لكل وحدة أن تعمل بشكل مستقل بغض النظر عن اختلاف زاوية الميل.
يمكن لشركتنا تقديم كافة الحلول والأنظمة الكاملة المذكورة أعلاه. إذا كنت في حاجة إليها، يرجى الاتصال بنا!
مع التقدم المستمر للتكنولوجيا الكهروضوئية، يتم أيضًا ابتكار وتطوير حلول مشكلة عدم تطابق الوحدة باستمرار:
1. تكنولوجيا MLPE ذات كفاءة أعلى: لقد تجاوزت كفاءة التحويل للجيل الجديد من محسِّنات الطاقة والمحولات الصغيرة 99%، مع انخفاض استهلاك الطاقة -الذاتي وانخفاض التكاليف بشكل مستمر.
2. تكنولوجيا الوحدة الذكية: دمج محسنات الطاقة أو المحولات الدقيقة مع الوحدات لتشكيل وحدات ذكية، مما يؤدي إلى تبسيط عملية التثبيت وتحسين موثوقية النظام.
3. تقنية التوأم الرقمي: استخدام تقنية التوأم الرقمي لبناء نموذج افتراضي لمحطة الطاقة الكهروضوئية، ومحاكاة خسائر عدم التطابق بدقة في ظل ظروف عمل مختلفة، وتحقيق الإنذار المبكر والتحكم الأمثل.
4. تكنولوجيا البطاريات الجديدة: مثل الوحدات الخشبية، والوحدات النصفية -، والوحدات المقطعة، وما إلى ذلك، تعمل على تقليل تأثير التظليل وعدم التطابق من خلال تجزئة الخلايا وطرق الاتصال المحسنة. على سبيل المثال، يمكن لوحدات القطع النصف- أن تقلل من فقدان الطاقة الناتج عن التظليل بنسبة 50% تقريبًا.
يعد عدم تطابق الوحدة ظاهرة حتمية في الأنظمة الكهروضوئية،من بينها اختلاف زاوية الميل هو السبب الرئيسي لعدم التطابق في سيناريوهات التثبيت المعقدةويمكن أن يصل فقدان توليد الطاقة الناتج إلى أكثر من 15%. تؤدي اختلافات زاوية الميل بشكل مباشر إلى تيارات خرج غير متناسقة للوحدات من خلال التأثير على كمية الإشعاع الشمسي التي تستقبلها الوحدات، ومن ثم الحد من توليد الطاقة للسلسلة بأكملها من خلال "تأثير الجرافة" لدائرة السلسلة.
بالنسبة للأنواع المختلفة من محطات الطاقة الكهروضوئية، يجب اختيار حل عدم التطابق الأكثر ملاءمة وفقًا لعوامل مثل ظروف التضاريس وحجم فرق زاوية الميل وميزانية الاستثمار. يمكن لمحطات الطاقة الأرضية- أن تعطي الأولوية لمحولات سلسلة MPPT المتعددة-؛ بالنسبة للسيناريوهات المعقدة مثل المناطق الجبلية وأسطح المنازل التي بها اختلافات كبيرة في زاوية الميل، ستوفر تقنية إلكترونيات الطاقة على مستوى الوحدة -تحسينات كبيرة في توليد الطاقة وعوائد على الاستثمار.
