תַקצִיר
חוסר התאמה של מודול הוא אחד מצווארי הבקבוק הטכניים המרכזיים המגבילים את השיפור ביעילות ייצור החשמל של מערכת פוטו-וולטאית. המהות שלו היא "אפקט הדלי" הנגרם על ידי זרמי מוצא לא עקביים של מודולי PV במעגל סדרתי. על פי נתונים סטטיסטיים של סוכנות האנרגיה הבינלאומית (IEA) תוכנית מערכות הכוח הפוטו-וולטאיות (PVPS), אובדן ייצור החשמל הממוצע העולמי עקב חוסר התאמה בתחנות כוח PV נע בין 5% ל-15%, ואף יכול לעלות על 20% במפעלים עם שטח מורכב או תפעול ותחזוקה לקויים. ביניהם, הבדל זווית ההטיה הוא הגורם הדומיננטי ביותר לאי התאמה בתרחישי התקנה מורכבים כגון אזורים הרריים וגגות, המהווים כ-40%-60% מסך הפסדי חוסר ההתאמה.
1.עקרונות בסיסיים ומנגנונים פיזיים של אי התאמה של מודול PV
1.1 מאפיינים חשמליים של מודולי PV
מאפייני הפלט של מודול PV נקבעים על ידי עקומת-מתח הנוכחי (I-V) ועקומת מתח-הספק (P-V) שלו. תחת תנאי בדיקה סטנדרטיים (STC: קרינה 1000W/m², טמפרטורת התא 25 מעלות, ספקטרום AM1.5), למודול יחיד יש נקודת כוח מקסימלית (MPP) ייחודית.
זרם הקצר-מעגל (Isc) של מודול PV הוא פרופורציונלי בערך לקרינת השמש על פני התא, שהוא הבסיס הפיזי הליבה לאי התאמה הנוכחית הנגרמת על ידי הבדלי זווית הטיה. הנוסחה מתבטאת כך:
Isc ≈ Isc_STC ×(G/GSTC)
אֵיפֹה:
• Isc: זרם קצר-ממשי (A)
• Isc_STC: זרם קצר-בתנאי בדיקה סטנדרטיים (A)
• G: קרינת תקרית בפועל (W/m²)
• G_STC: קרינת בדיקה רגילה (1000W/m²)
כאשר מספר מודולים מחוברים בסדרה ליצירת מחרוזת, על פי החוק הנוכחי של קירכהוף,כל המודולים במעגל סדרתי חייבים לפעול באותו זרם; בעוד שהמתח הכולל של המיתר שווה לסכום מתחי הפעולה של כל מודול. מאפיין זה קובע כי מערכות סדרה רגישות ביותר להבדלים בזרם.
1.2 מנגנון ליבה של תופעת אי ההתאמה
"אפקט החבית" (המכונה גם "החוליה החלשה ביותר" או "אפקט צוואר הבקבוק") הוא אנלוגיה מושלמת למה שקורה במודולי PV מחוברים-בסדרה. דמיינו סדרה של חביות המחוברות בשרשרת, שלכל אחת מהן קיבולת שונה. כמות המים שיכולה לזרום דרך המערכת כולה מוגבלת על ידי החבית עם הקיבולת הקטנה ביותר-ללא קשר לגודל האחרים.
במחרוזת PV, מודולים מחוברים חשמלית בסדרה, כלומר אותו זרם חייב לזרום בכולם. המודול המקבל את הקרינה הנמוכה ביותר (בשל זווית לא אופטימלית) יפיק את הזרם הנמוך ביותר. זה מאלץ את כל הזרם של המחרוזת להתאים לביצועים הנמוכים ביותר, מה שגורם למודולים בעלי הביצועים הגבוהים ביותר לפעול מתחת לפוטנציאל שלהם. הפסדי חשמל יכולים להיות משמעותיים, עולים בהרבה על הסכום הפשוט של הפחתות בודדות.
2. הסיבות העיקריות לאי התאמה של מודול PV
הגורמים לאי התאמה של מודול הם מורכבים ומגוונים, וניתן לחלקם לשתי קטגוריות: חוסר התאמה מולד ואי התאמה נרכשת.
2.1 אי התאמה מולדת: הבדלי פרמטרים במפעל
אפילו למודולים המיוצרים באותה אצווה יש הבדלים קלים בפרמטרי הביצועים החשמליים שלהם עקב גורמים כמו טוהר החומרים של מוליכים למחצה ותנודות בתהליך הייצור. יצרני מודולים בדרך כלל מבצעים דירוג כוח (binning) על מודולים, אך מודולים בתוך אותו סל חשמל עשויים עדיין להיות בעלי הפרשי זרם בטווח של ±2.5%.
אובדן חוסר ההתאמה הנגרם מהבדלי פרמטרים כאלה במפעל הוא בדרך כלל 2%-3%, שהוא אובדן חוסר התאמה בסיסי שלא ניתן להימנע ממנו לחלוטין בכל מערכות ה-PV.
2.2 אי התאמה נרכשת: סביבת הפעלה וגורמי תפעול ותחזוקה
זו הסיבה העיקרית לכך שהפסד חוסר ההתאמה בפועל גדול בהרבה מהערך הבסיסי, כולל במיוחד:
• זוויות הטיה וזוויות אזימוט לא עקביות(ינתח לעומק בהמשך)
• אי התאמה של הצללה: הצללה קבועה ממבנים מסביב, עצים, הרים וכו', והצללה דינמית מעננים, ציפורים וכו'.
• אי התאמה של לכלוך והזדקנות: לכלוך לא אחיד כגון אבק, שלג, לשלשת ציפורים על פני המודול, והבדלים בקצבי ההזדקנות לאחר פעולה-ארוכת טווח
• אי התאמה של טמפרטורה: טמפרטורות לא אחידות הנגרמות מתנאי פיזור חום שונים של מודולים
3. מנגנון-מעמיק וניתוח כמותי של אי התאמה הנגרמת על ידי הבדלי זווית הטיה
אי התאמה של זווית הטיה מתייחסת לזוויות ההטיה הבלתי עקביות של ההתקנה (הזווית בין מישור המודול למישור האופקי) של מודולים שונים באותה מחרוזת סדרה, וכתוצאה מכך כמויות שונות של קרינת שמש המתקבלת על ידי כל מודול, ולפיכך הבדלים בזרם המוצא. זהו הסוג הנפוץ ביותר וקל להתעלם ממנו של חוסר התאמה במערכות PV הררי ומערכות PV על גגות מבוזרות.
3.1 הסיבות העיקריות לכך שהבדלי זווית ההתקנה מחמירים זאת:
• וריאציה של קרינה: מודול המוטה בזווית שונה לוכד פחות אור שמש ישיר, במיוחד בשעות השיא. לדוגמה, על גג משופע עם שיפועים משתנים, מודולים הפונים דרומה- בהטיה אופטימלית עשויים להופיע היטב, בעוד שאחרים בזוויות רדודות או תלולות יותר לא מצליחים.
• השפעה יומית ועונתית: זוויות משפיעות לא רק על תפוקה שיא אלא על הביצועים לאורך היום. הטיות לא-אחידות מובילות לאי-התאמה של עקומות IV (מאפייני מתח זרם-), ומגדילות את הפסדי אי-ההתאמה.
• שילוב עם גורמים אחרים: הבדלי זווית יכולים להחמיר את השפעות ההצללה או שיפוע הטמפרטורה, מכיוון שמודולים בעלי זווית גרועה עלולים להתחמם בצורה שונה.
3.2 מתאם כמותי בין הפרש זווית הטיה לזרם פלט מודול
אנו יכולים לכמת את הקשר בין הפרש זווית ההטיה והפרש הזרם על ידי חישוב מדויק של קרינת המישור הכוללת בזוויות הטיה שונות. לוקח אתאזור קו רוחב 30 מעלות N(אגן נהר היאנגצה בסין) כדוגמה, הטבלה הבאה מציגה את ההפרשים השנתיים הכוללים של הקרינה הכוללת וזרם-קצר עבור זוויות הטיית התקנה שונות ביחס לזווית ההטיה האופטימלית (כ-30 מעלות):
זווית הטיה להתקנה (תואר) | הקרנה כוללת שנתית (קוט"ש/מ"ר) | הפרש הקרינה ביחס לזווית ההטיה האופטימלית (%) | קצר-הפרש נוכחי (%) |
| 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 (אופטימלי) | 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 |
מסקנות מרכזיות:
1. באזור קו הרוחב 30 מעלות N, על כל סטייה של 5 מעלות מזווית ההטיה האופטימלית, הקרינה השנתית יורדת בכ-2%-4%, המקביל לירידה של 2%-4% בזרם הקצר.
2. כאשר הפרש זווית ההטיה מגיע ל-20 מעלות (למשל, 30 מעלות מול 10 מעלות), הפרש הזרם השנתי יכול לעלות על 12%.
3. הפרשי זרם מיידיים גדולים בהרבה מההבדלים הממוצעים השנתיים. לדוגמה, בצהריים ביום ההיפוך הקיץ, זווית הגובה הסולארית היא בערך 83.5 מעלות, אז הקרינה הישירה המתקבלת על ידי מודול עם זווית הטיה של 10 מעלות גבוהה בכ-15% מזו שמתקבלת על ידי מודול עם זווית הטיה של 30 מעלות; בעוד שבצהריים ביום היפוך החורף, זווית הגובה הסולרית היא כ-36.5 מעלות, והקרינה הישירה המתקבלת על ידי מודול עם זווית הטיה של 10 מעלות נמוכה בכ-25% מזו שמתקבלת על ידי מודול עם זווית הטיה של 30 מעלות.
4. השוואה של פתרונות מיינסטרים לחוסר התאמה של מודול
במטרה לבעיית חוסר ההתאמה של המודול, פותחו פתרונות שונים בתעשייה, שרעיון הליבה שלהם הוא לעשותלשבור את ההגבלה ש"זרמים בסדרה חייבים להיות עקביים"אוֹלמזער את ההבדלים הנוכחיים.
4.1 אופטימיזציה של עיצוב מיוחד לאי התאמה של זווית הטיה
זהו הפתרון הבסיסי והנמוך ביותר-עלויות, וגם המדד שכל הפרויקטים צריכים לאמץ תחילה:
1. יש ליישם בקפדנות את עקרון "אותה זווית הטיה, אותו מיתר".: זהו כלל הזהב למניעת חוסר התאמה של זווית הטיה. מודולים עם אותה זווית הטיה וזווית אזימוט צריכים להיות מחוברים בסדרה באותו מיתר, ולעולם אסור לחבר מודולים עם זוויות הטיה שונות/אוריינטציות שונות.
2. לקצר באופן סביר את אורך המיתר: באזורים עם הבדלי זווית הטיה גדולים, קיצור מתאים של אורך המיתר (מ-22-24 מודולים ל-18-20 מודולים) יכול להפחית את טווח ההשפעה של אי-התאמה.
3. ייעול חלוקת ערוצי MPPT של מהפך: חבר מיתרים מאזורי זווית הטיה שונים לערוצי MPPT שונים, כך שכל ערוץ MPPT עוקב רק אחר נקודת הכוח המקסימלית של מיתרים עם אותה זווית הטיה.
יצרני ספקים של מערכות PV סולאריות בסין - שירות סיטונאי - Dongshuo New Energy
4.2 מהפך מחרוזות: Multi-MPPT Inverters
לממירים מרכזיים מסורתיים יש בדרך כלל רק 1-2 ערוצי MPPT, בעוד שממירי מחרוזת מודרניים מצוידים בדרך כלל במספר ערוצי MPPT עצמאיים (6-12 או אפילו יותר). כל ערוץ MPPT יכול לעקוב באופן עצמאי אחר נקודת הכוח המקסימלית של מחרוזות שונות, ובכך להגביל את ההשפעה של אי התאמה לערוץ MPPT בודד.
השפעה על אי התאמה של זווית הטיה: יכול לפתור ביעילות את בעיית חוסר ההתאמה בין אזורי זווית הטיה שונים, אך עדיין לא יכול לפתור את הבדלי זווית ההטיה בתוך מיתרים באותו אזור.
יצרני ספקים של מערכות PV סולאריות בסין - שירות סיטונאי - Dongshuo New Energy
4.3 מודול-טכנולוגיית Power Electronics (MLPE) ברמה
זהו כרגע הפתרון הטכני היעיל ביותר לפתרון חוסר התאמה של זווית הטיה, כולל בעיקר מיטובי הספק וממירי מיקרו:
1. Power Optimizer
כלי אופטימיזציית צריכת החשמל מותקנים בחלקו האחורי של כל מודול, התואמים אחד-ל-אחד עם המודולים. הוא יכול להתאים באופן עצמאי את מתח ההפעלה והזרם של כל מודול, מה שגורם לכל מודול לעבוד בנקודת הכוח המקסימלית שלו, ולאחר מכן להוציא זרם ישר למעגל הסדרה.
השפעה על אי התאמה של זווית הטיה: יכול לבטל לחלוטין אי התאמה של זרם הנגרמת על ידי כל הבדל זווית הטיה בתוך המיתר, מה שמאפשר לכל מודול להוציא את הזרם המרבי שלו. נתונים שנמדדו מראים שבתחנות כוח הרריות עם הבדלי זווית הטיה גדולים, השימוש במייעל כוח יכול להגדיל את ייצור החשמל ב-15%-20%.
2. מיקרו אינוורטר
Microinverters מותקנים ישירות בחלק האחורי של כל מודול, וממירים את פלט הזרם הישר על ידי המודול ישירות לזרם חילופין, אשר מחובר לאחר מכן במקביל לרשת. כל מודול הוא יחידת ייצור חשמל עצמאית, נקייה לחלוטין ממגבלות זרם סדרתיות.
השפעה על אי התאמה של זווית הטיה: פותר לחלוטין את כל בעיות חוסר התאמת זווית ההטיה, וכל מודול יכול לעבוד באופן עצמאי ללא קשר להפרש זווית ההטיה.
חברתנו יכולה לספק את כל הפתרונות והמערכות השלמות שהוזכרו לעיל. אם אתה צריך אותם, אנא צור איתנו קשר!
עם התקדמות מתמשכת של טכנולוגיית ה-PV, פתרונות לבעיית חוסר ההתאמה של המודול גם כל הזמן מחדשים ומתפתחים:
1. טכנולוגיית MLPE יעילה יותר: יעילות ההמרה של -מיטובי צריכת חשמל וממירי מיקרו מהדור החדשים עלתה על 99%, עם צריכת חשמל עצמית מופחתת נוספת- וירידה מתמדת בעלויות.
2. טכנולוגיית מודול חכם: שילוב אופטימיזציית הספק או ממירי מיקרו עם מודולים ליצירת מודולים חכמים, מפשט את תהליך ההתקנה ושיפור אמינות המערכת.
3. טכנולוגיית תאומים דיגיטליים: שימוש בטכנולוגיית התאומים הדיגיטליים לבניית מודל וירטואלי של תחנת הכוח PV, הדמיה מדויקת של הפסדי אי התאמה בתנאי עבודה שונים, ומימוש אזהרה מוקדמת ובקרה מיטבית.
4. טכנולוגיית סוללה חדשה: כגון מודולים רעפים, מודולים חתוכים למחצה-, מודולים פרוסים וכו', מפחיתים את ההשפעה של הצללה ואי התאמה באמצעות פילוח תאים ושיטות חיבור אופטימליות. לדוגמה, מודולים חצי-חתוכים יכולים להפחית את אובדן החשמל הנגרם מהצללה בכ-50%.
אי התאמה של מודול היא תופעה בלתי נמנעת במערכות PV,ביניהם הבדל זווית ההטיה הוא הגורם העיקרי לחוסר התאמה בתרחישי התקנה מורכבים, ואובדן ייצור החשמל כתוצאה מכך יכול להגיע ליותר מ-15%. הבדלי זווית הטיה מובילים ישירות לזרמי פלט לא עקביים של מודולים על ידי השפעה על כמות הקרינה הסולארית המתקבלת על ידי המודולים, ולאחר מכן מגבילים את ייצור החשמל של המיתר כולו באמצעות "אפקט הדלי" של מעגל הסדרה.
עבור סוגים שונים של תחנות כוח PV, יש לבחור את פתרון אי ההתאמה המתאים ביותר בהתאם לגורמים כגון תנאי השטח, גודל הפרש זווית ההטיה ותקציב ההשקעה. תחנות כוח קרקעיות- יכולות לתת עדיפות לממירי מחרוזות MPPT מרובי-; עבור תרחישים מורכבים כגון אזורים הרריים וגגות עם הבדלי זווית הטיה גדולים, טכנולוגיית אלקטרוניקת הספק ברמת מודול-תביא לשיפורים משמעותיים בייצור חשמל ותשואות השקעה.
