Abstracto
La falta de coincidencia de módulos es uno de los principales obstáculos técnicos que restringen la mejora de la eficiencia de generación de energía del sistema fotovoltaico (PV). Su esencia es el "efecto cubo" causado por corrientes de salida inconsistentes de los módulos fotovoltaicos en un circuito en serie. Según estadísticas del Programa de Sistemas de Energía Fotovoltaica (PVPS) de la Agencia Internacional de Energía (AIE), la pérdida promedio global de generación de energía debido a desajustes en las plantas de energía fotovoltaica oscila entre el 5% y el 15%, e incluso puede superar el 20% en plantas con terreno complejo o operación y mantenimiento deficientes. Entre ellos, la diferencia del ángulo de inclinación es la causa más dominante de desajuste en escenarios de instalación complejos, como áreas montañosas y tejados, y representa aproximadamente entre el 40 % y el 60 % de las pérdidas totales por desajuste.
1.Principios básicos y mecanismos físicos del desajuste del módulo fotovoltaico
1.1 Características eléctricas de los módulos fotovoltaicos
Las características de salida de un módulo fotovoltaico están determinadas por su curva de-tensión actual (I-V) y su curva de tensión-de potencia (P-V). En condiciones de prueba estándar (STC: irradiancia 1000 W/m², temperatura de la celda 25 grados, espectro AM1.5), un solo módulo tiene un punto de máxima potencia (MPP) único.
La corriente de cortocircuito-(Isc) de un módulo fotovoltaico es aproximadamente proporcional a la irradiancia solar incidente en la superficie de la célula., que es la base física central del desajuste actual causado por diferencias en el ángulo de inclinación. La fórmula se expresa como:
Isc ≈ Isc_STC ×(G/GSTC)
Dónde:
• Isc: corriente de cortocircuito-real (A)
• Isc_STC: corriente de cortocircuito-en condiciones de prueba estándar (A)
• G: Irradiancia incidente real (W/m²)
• G_STC: Irradiancia de prueba estándar (1000W/m²)
Cuando se conectan varios módulos en serie para formar una cadena, de acuerdo con la Ley de Corrientes de Kirchhoff,Todos los módulos en un circuito en serie deben funcionar con la misma corriente.; mientras que el voltaje total de la cadena es igual a la suma de los voltajes de operación de cada módulo. Esta característica determina que los sistemas en serie sean extremadamente sensibles a las diferencias de corriente.
1.2 Mecanismo central del fenómeno de desajuste
El "efecto barril" (también conocido como "eslabón más débil" o "efecto cuello de botella") es una analogía perfecta de lo que sucede en los módulos fotovoltaicos conectados en serie-. Imaginemos una serie de barriles conectados en cadena, cada uno con una capacidad diferente. La cantidad de agua que puede fluir por todo el sistema está limitada por el barril de menor capacidad-independientemente del tamaño de los demás.
En una cadena fotovoltaica, los módulos están conectados eléctricamente en serie, lo que significa que debe circular la misma corriente por todos ellos. El módulo que reciba la menor irradiancia (debido a un ángulo subóptimo) generará la corriente más baja. Esto obliga a que toda la corriente de la cadena coincida con el de menor rendimiento, lo que hace que los módulos de mayor-rendimiento funcionen por debajo de su potencial. Las pérdidas de energía pueden ser sustanciales y exceder con creces la simple suma de las reducciones individuales.
2. Causas principales de discrepancia en los módulos fotovoltaicos
Las causas del desajuste de módulos son complejas y diversas, y se pueden dividir en dos categorías: desajuste congénito y desajuste adquirido.
2.1 Desajuste congénito: diferencias en los parámetros de fábrica
Incluso los módulos producidos en el mismo lote tienen ligeras diferencias en sus parámetros de rendimiento eléctrico debido a factores como la pureza del material semiconductor y las fluctuaciones del proceso de producción. Los fabricantes de módulos generalmente realizan clasificación de energía (agrupación) en los módulos, pero los módulos dentro del mismo contenedor de energía aún pueden tener diferencias de corriente dentro de ±2,5%.
La pérdida por falta de coincidencia causada por tales diferencias en los parámetros de fábrica suele ser del 2% al 3%, que es una pérdida por falta de coincidencia básica que no se puede evitar por completo en todos los sistemas fotovoltaicos.
2.2 Desajuste adquirido: entorno operativo y factores de operación y mantenimiento
Esta es la razón principal por la cual la pérdida real por desajuste del sistema es mucho mayor que el valor básico, incluyendo específicamente:
• Ángulos de inclinación y ángulos de azimut inconsistentes(será analizado en profundidad a continuación)
• Desajuste de sombreado: Sombreado fijo de edificios, árboles, montañas, etc. circundantes, y sombreado dinámico de nubes, pájaros, etc.
• Desajuste entre suciedad y envejecimiento: Suciedad desigual, como polvo, nieve, excrementos de pájaros en la superficie del módulo y diferencias en las tasas de envejecimiento después de un funcionamiento-largo plazo.
• Desajuste de temperatura: Temperaturas desiguales causadas por diferentes condiciones de disipación de calor de los módulos
3. Mecanismo-en profundidad y análisis cuantitativo de la falta de coincidencia causada por diferencias en el ángulo de inclinación
La falta de coincidencia del ángulo de inclinación se refiere a los ángulos de inclinación de instalación inconsistentes (el ángulo entre el plano del módulo y el plano horizontal) de diferentes módulos en la misma cadena en serie, lo que resulta en diferentes cantidades de irradiancia solar recibida por cada módulo y, por lo tanto, diferencias en la corriente de salida. Este es el tipo de desajuste más común y que fácilmente se pasa por alto en los sistemas fotovoltaicos de montaña y los sistemas fotovoltaicos distribuidos en tejados.
3.1 Razones clave por las que las diferencias en los ángulos de instalación exacerban esto:
• Variación de irradiancia: Un módulo inclinado en un ángulo diferente captura menos luz solar directa, especialmente durante las horas pico. Por ejemplo, en un techo inclinado con diferentes inclinaciones, los módulos orientados hacia el sur-con una inclinación óptima pueden funcionar bien, mientras que otros con ángulos menos profundos o más pronunciados tienen un rendimiento inferior.
• Impacto diario y estacional: Los ángulos afectan no sólo el rendimiento máximo sino también el rendimiento a lo largo del día. Las inclinaciones no-uniformes provocan curvas IV no coincidentes (características de voltaje-actuales), lo que aumenta las pérdidas por desajuste.
• Combinando con otros factores: Las diferencias de ángulo pueden empeorar los efectos de sombra o los gradientes de temperatura, ya que los módulos mal angulados pueden calentarse de manera diferente.
3.2 Correlación cuantitativa entre la diferencia del ángulo de inclinación y la corriente de salida del módulo
Podemos cuantificar la relación entre la diferencia del ángulo de inclinación y la diferencia actual calculando con precisión la irradiancia plana total en diferentes ángulos de inclinación. Tomando elRegión de latitud 30 grados N(la cuenca del río Yangtze en China), como ejemplo, la siguiente tabla muestra la irradiancia total anual y las diferencias de corriente de cortocircuito-para diferentes ángulos de inclinación de instalación en relación con el ángulo de inclinación óptimo (aproximadamente 30 grados):
Ángulo de inclinación de instalación ( grado ) | Irradiación total anual (kWh/m²) | Diferencia de irradiancia en relación con el ángulo de inclinación óptimo (%) | Diferencia de corriente de cortocircuito-(%) |
| 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 (óptimo) | 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 |
Conclusiones clave:
1. En la región de latitud 30 grados N, por cada desviación de 5 grados respecto del ángulo de inclinación óptimo, la irradiancia anual disminuye aproximadamente un 2%-4%, lo que corresponde a una disminución del 2%-4% en la corriente de cortocircuito.
2. Cuando la diferencia del ángulo de inclinación alcanza los 20 grados (por ejemplo, 30 grados frente a 10 grados), la diferencia actual anual puede exceder el 12%.
3. Las diferencias actuales instantáneas son mucho mayores que las diferencias promedio anuales. Por ejemplo, al mediodía del solsticio de verano, el ángulo de altitud solar es de aproximadamente 83,5 grados, momento en el que la irradiancia directa recibida por un módulo con un ángulo de inclinación de 10 grados es aproximadamente un 15% mayor que la recibida por un módulo con un ángulo de inclinación de 30 grados; mientras que al mediodía del solsticio de invierno, el ángulo de altitud solar es de aproximadamente 36,5 grados, y la irradiancia directa recibida por un módulo con un ángulo de inclinación de 10 grados es aproximadamente un 25% menor que la recibida por un módulo con un ángulo de inclinación de 30 grados.
4. Comparación de soluciones convencionales para desajustes de módulos
Con el objetivo de abordar el problema de la falta de coincidencia de módulos, se han desarrollado varias soluciones en la industria, cuya idea central esromper la restricción de que "las corrientes en serie deben ser consistentes"ominimizar las diferencias actuales.
4.1 Optimización de diseño especial para desajustes en el ángulo de inclinación
Esta es la solución más básica y de menor-coste, y también la medida que todos los proyectos deberían adoptar primero:
1. Implementar estrictamente el principio de "mismo ángulo de inclinación, misma cuerda": Ésta es la regla de oro para evitar que el ángulo de inclinación no coincida. Los módulos con el mismo ángulo de inclinación y ángulo de acimut deben conectarse en serie en la misma cadena, y los módulos con diferentes ángulos/orientaciones de inclinación nunca deben conectarse en serie entre sí.
2. Acortar razonablemente la longitud de la cuerda: En áreas con grandes diferencias en los ángulos de inclinación, acortar adecuadamente la longitud de la cuerda (de 22-24 módulos a 18-20 módulos) puede reducir el rango de impacto del desajuste.
3. Optimice la división de canales MPPT del inversor: Conecte cuerdas de diferentes zonas de ángulo de inclinación a diferentes canales MPPT, de modo que cada canal MPPT solo rastree el punto de máxima potencia de las cuerdas con el mismo ángulo de inclinación.
4.2 Inversor de cadena: Inversores múltiples-MPPT
Los inversores centrales tradicionales suelen tener sólo 1-2 canales MPPT, mientras que los inversores de cadena modernos generalmente están equipados con múltiples canales MPPT independientes (6-12 o incluso más). Cada canal MPPT puede rastrear de forma independiente el punto de máxima potencia de diferentes cadenas, limitando así el impacto de la falta de coincidencia a un solo canal MPPT.
Efecto sobre la falta de coincidencia del ángulo de inclinación: Puede resolver eficazmente el problema de falta de coincidencia entre diferentes zonas de ángulo de inclinación, pero aún no puede resolver las diferencias de ángulo de inclinación dentro de cadenas en la misma zona.
4.3 Módulo-Tecnología de electrónica de potencia a nivel (MLPE)
Esta es actualmente la solución técnica más efectiva para resolver el desajuste del ángulo de inclinación, incluyendo principalmente optimizadores de energía y microinversores:
1. Optimizador de energía
Los optimizadores de energía están instalados en la parte posterior de cada módulo, correspondiendo-uno a-uno con los módulos. Puede ajustar de forma independiente el voltaje y la corriente de funcionamiento de cada módulo, haciendo que cada módulo funcione en su propio punto de máxima potencia y luego emita corriente continua al circuito en serie.
Efecto sobre la falta de coincidencia del ángulo de inclinación: Puede eliminar completamente la falta de coincidencia de corriente causada por cualquier diferencia de ángulo de inclinación dentro de la cadena, permitiendo que cada módulo genere su corriente máxima. Los datos medidos muestran que en centrales eléctricas montañosas con grandes diferencias en los ángulos de inclinación, el uso de optimizadores de energía puede aumentar la generación de energía entre un 15% y un 20%.
2. Microinversor
Los microinversores se instalan directamente en la parte posterior de cada módulo, convirtiendo la salida de corriente continua del módulo directamente en corriente alterna, que luego se conecta en paralelo a la red. Cada módulo es una unidad de generación de energía independiente, completamente libre de restricciones de corriente en serie.
Efecto sobre la falta de coincidencia del ángulo de inclinación: Resuelve completamente todos los problemas de falta de coincidencia del ángulo de inclinación y cada módulo puede funcionar de forma independiente independientemente de la diferencia del ángulo de inclinación.
Nuestra empresa puede proporcionar todas las soluciones y sistemas completos mencionados anteriormente. Si los necesitas, ¡contáctanos!
7. Tendencias de desarrollo futuras
Con el avance continuo de la tecnología fotovoltaica, las soluciones al problema de la falta de coincidencia de módulos también se están innovando y desarrollando constantemente:
1. Tecnología MLPE de mayor eficiencia: La eficiencia de conversión de los optimizadores de energía y microinversores de nueva-generación ha superado el 99%, con un consumo de energía propio- aún más reducido y costos en continua disminución.
2. Tecnología de módulos inteligentes: Integrar optimizadores de energía o microinversores con módulos para formar módulos inteligentes, simplificando el proceso de instalación y mejorando la confiabilidad del sistema.
3. Tecnología de gemelos digitales: Uso de tecnología de gemelo digital para construir un modelo virtual de la planta de energía fotovoltaica, simulando con precisión pérdidas por desajuste en diferentes condiciones de trabajo y logrando alerta temprana y control óptimo.
4. Nueva tecnología de baterías: Como módulos en tejas, módulos medio-cortados, módulos cortados, etc., reducen el impacto del sombreado y la falta de coincidencia mediante la segmentación de celdas y métodos de conexión optimizados. Por ejemplo, los módulos medio-cortados pueden reducir la pérdida de energía causada por las sombras en aproximadamente un 50%.
La falta de coincidencia de módulos es un fenómeno inevitable en los sistemas fotovoltaicos,entre los cuales la diferencia del ángulo de inclinación es la principal causa de falta de coincidencia en escenarios de instalación complejos, y la pérdida de generación de energía resultante puede alcanzar más del 15%. Las diferencias en los ángulos de inclinación conducen directamente a corrientes de salida inconsistentes de los módulos al afectar la cantidad de irradiancia solar recibida por los módulos y luego limitan la generación de energía de toda la cadena a través del "efecto cubo" del circuito en serie.
Para diferentes tipos de plantas de energía fotovoltaica, se debe seleccionar la solución de desajuste más adecuada de acuerdo con factores como las condiciones del terreno, el tamaño de la diferencia del ángulo de inclinación y el presupuesto de inversión. Las centrales eléctricas-montadas en el suelo pueden dar prioridad a los inversores de cadena multi-MPPT; Para escenarios complejos, como áreas montañosas y tejados con grandes diferencias de ángulo de inclinación, la tecnología de electrónica de potencia a nivel de módulo-traerá importantes mejoras en la generación de energía y retornos de la inversión.
