Hvordan man på en rimelig måde kan designe kapacitetsforholdet for solcellestationer

Med den voksende globale efterspørgsel efter fornybar energi er teknologien til fotovoltaisk strømfremstilling blevet udviklet hurtigt. Som det centrale bærende element i fotovoltaisk strømfremstilling påvirker designets rimelighed af solcelleranlæg direkte strømfrembringelses effektivitet, driftsstabilitet og økonomiske fordele ved anlægget. Heriblandt har kapacitetsforholdet, som et nøgleparameter i designet af solcelleranlæg, en væsentlig indvirkning på det overordnede yndlingsmål for anlægget. Formålet med denne artikel er at drøfte, hvordan kapacitetsforholdet i solcelleranlæg kan designes på en rimelig måde for at forbedre strømfrembringelses effektivitet og økonomi.

01 Oversigt over kapacitetsforholdet for solcellerstation
Kapacitetsforholdet for solcellerstation henviser til forholdet mellem den installerede kapacitet af solcellemoduler og kapaciteten af inverterudstyr.
På grund af solcelleproduktionens ustabilitet og at den påvirkes meget af miljøet, vil et kapacitetsforhold for solcellerstationer, der blot følger en 1:1-konfiguration baseret på den installerede kapacitet af solcellemoduler, føre til spild af inverterkapaciteten. Derfor bør det optimale kapacitetsforhold under forudsætning af stabil drift af solsystemet være større end 1:1. Et rationelt kapacitetsforhold kan ikke kun maksimere strømoutputtet, men også tilpasse sig forskellige belysthedsbetingelser og håndtere nogle systemtab.

02 Hovedindflydelsesfaktorer for volumeforhold
Design af forholdet mellem kapacitet og effekt skal overvejes på baggrund af den konkrete projekt situation. Faktorer, der påvirker kapacitetsforholdet, omfatter komponentforsvinden, systemtab, stråling, monteringsvinkel af komponenter osv. Specifik analyse er som følger.

1. Komponentforsvinden
I tilfælde af normal aldersrelateret forsvingen er den første års forsvinge af den aktuelle komponent omkring 1%, mens forsvingen fra anden år vil vise en lineær ændring, og forsvingesatsen på 30 år er omkring 13%, dvs. at komponentens årlige produceringskapacitet falder, og den nominelle effektoutput kan ikke vedblive med at opretholdes. Derfor skal designet af fotovoltaiske kapacitetsforhold tage højde for komponentforsvinden under hele kraftstations livscyklus for at maksimere energiproduktionen af de matchede komponenter og forbedre systemeffektiviteten.

30-årig lineær effektforsvindningskurve for fotovoltaiske moduler

2. Systemtab
I fotovoltaisk system findes der forskellige tab mellem fotovoltaiske modulet og inverterens output, herunder modultab i serie og parallelforbindelse, blokstøvetab, DC-kabletab, fotovoltaisk invertertab mv. Tabet i hver enkelt fase vil påvirke den faktiske udskrifts effekt af fotovoltaisk kraftværksinverter.

PVsyst-simuleringsrapport for PV-kraftværk

Som vist på figuren kan den faktiske konfiguration og skygge-tab af projektet simuleres med PVsyst i projektets anvendelse; Under normale omstændigheder er DC-tabet i fotovoltaisk system ca. 7-12%, inverter-tabet er omkring 1-2%, og det totale tab er ca. 8-13%. Derfor findes der et tab-afvigelse mellem den installerede kapacitet af solcellemoduler og de faktiske produktionsdata. Hvis komponentens installerede kapacitet vælges efter en 1:1 kapacitetsforhold for fotovoltaisk inverter, så er den faktiske maksimale udgangskapacitet af inverteren kun omkring 90% af inverterens nominelle kapacitet, endda når lyset er bedst, er inverteren ikke fuldt belastet, hvilket reducerer inverterens og systemets udnyttelse.

3. Solstråling varierer i forskellige regioner
Komponenten kan kun opnå den angivne effekt under STC-betingelser (STC-betingelser: Lysintensiteten er 1000W/m², batteritemperaturen er 25°C, og atmosfærens kvalitet er 1.5). Hvis arbejdsbetingelserne ikke opfylder STC-betingelserne, vil udgangseffekten fra fotovoltaisk module uundgåeligt være mindre end dets angivne effekt. Tidsfordelingen af lysressourcerne inden for en dag opfylder ikke alle STC-betingelserne, hovedsagelig på grund af store forskelle i stråling og temperatur tidligt, midt på dagen og senere. Samtidig har forskellige regioners stråling og miljø forskellige effekter på elproduktionen fra fotovoltaiske moduler, så ved projektets start skal der forstås de lokale lysressource-data efter området, og der skal foretages dataudregninger.

Ifølge klassifikationsstandarderne fra Vind- og Solenergi-vurderingscentret ved Nationalt Vejrsted kan man få viden om den specifikke irradiance-data i forskellige regioner, og den totale årlige solstråling irradiance er indgivet i fire grader:

Klassificering af total årlig solstrålingsirradiance

Derfor findes der store forskelle i strålekvantummet gennem året, selv inden for samme ressourceområde. Det betyder, at det samme systemkonfiguration, dvs. samme kapacitetsforhold under strømproduktion ikke er det samme. For at opnå samme strømproduktion kan det opnås ved at ændre volumeforholdet.

4. Komponentens installationsvinkel
Der vil være forskellige tagtyper i det samme projekt for brugerens fotovoltaiske kraftstation, og forskellige komponentdesignvinkler vil være involveret efter forskellige tagtyper, og den stråling, som de tilsvarende komponenter modtager, vil også være forskellig. For eksempel findes der farveståltagger og betontagger i et industri- og handelsprojekt i Zhejiang-provinsen, og designhældningsvinklerne er henholdsvis 3° og 18°. De af PV simulerede strålingsdata for skrå plan over forskellige hældningsvinkler vises på figuren nedenfor. Det kan ses, at strålingen, som komponenterne installeret ved forskellige vinkler modtager, er forskellig. Hvis det fordelt tag primært består af tagger, er den producerede energi fra komponenterne med samme kapacitet lavere end dem med en bestemt hældningsvinkel.

Totalstråling ved 3° hældningsvinkel

Totalstråling ved 18° hældningsvinkel

03 Kapacitetsforhold designideer
Ifølge ovenstående analyse er designet af kapacitetsforholdet hovedsageligt rettet mod at forbedre den samlede fordel af kraftværket ved at justere DC-adgangskapaciteten til inverteren. I øjeblikket deles metoderne til konfiguration af kapacitetsforholdet i to kategorier: kompensatorisk overmatchning og aktiv overmatchning.

1. Kompensatorisk overmatchning
Kompensatorisk overmatchning betyder, at ved at justere volumeforholdet kan inverteren nå fuld lastudgang, når lyset er optimalt. Denne metode tager kun højde for delvis tab i fotovoltaiske systemer, ved at øge kapaciteten af komponenten (som vist på figuren nedenfor), kan man kompensere for energitab i overførselsprocessen, så inverteren opnår fuld lastudgang under faktisk brug uden at opleve klipningstab.

Diagram over kompensatorisk overmatchning

2. Aktiv overmatchning
Aktiv overmatchning indebærer at fortsætte med at øge kapaciteten af fotovoltaiske moduler på baggrund af kompensations-overmatchning (som vist i figuren nedenfor). Denne metode tager ikke kun højde for systemtab, men betragter også investeringsomkostninger og indtægter sammen med andre faktorer. Målet er at minimere systemets gennemsnitlige strømomsætningsomkostninger (LCOE) ved aktivt at udvide inverterens fuldtidsarbejdstid, hvilket finder en balance mellem de øgede komponentindkøbsomkostninger og systemets strøminkomster. Selv ved dårligt lys har inverteren fuld belastningsarbejdsforhold, hvilket forlænger den fuldtidsarbejdstid; imidlertid vil den faktiske strømningskurve for systemet vise et "topklipnings"-fænomen som vist i figuren, og nogle tidsperioder vil være i en tilstand med begrænset produktion. Under en passende kapacitetsforhold er det samlede LCOE for systemet lavest, dvs. fordelen øges.

Diagram over aktiv overmatchning

Som vist i figuren nedenfor, fortsætter LCOE med at falde med stigningen i kapacitetsforholdet. Ved kompensations overskudspunktet når ikke LCOE for systemet det laveste værdi. Når kapacitetsforholdet yderligere øges til aktivt overskudspunkt, når LCOE for systemet det laveste værdi, og LCOE vil stige efter yderligere stigning i kapacitetsforholdet. Derfor er aktivt overmatchningspunkt det optimale kapacitetsforhold for systemet.

LOCE/kapacitetsforhold diagram

For invertere kræver det, hvordan man opnår det minimale LCOE for systemet, tilstrækkelig DC-side overallokationskapacitet for at opnå dette. For forskellige områder, især for områder med dårlige strålingbetingelser, kræves et højere aktivt overallokeringsskema for at udvide inverterens rated output tid og maksimere reduktionen af systemets LCOE.

04 Konklusioner og Anbefalinger
I sammenfatning er kompensatorisk overallokering og aktiv overallokering effektive midler til at forbedre effektiviteten af fotovoltaiske systemer, men hver har sin egen fokus. Kompensations-overmatching fokuserer hovedsageligt på at kompensere for systemtab, mens aktiv overmatching lægger mere vægt på at finde en balance mellem øget indskud og forbedring af indtægter. Derfor anbefales det i praksisprojekter at vælge den passende kapacitetsforholdskonfiguration ud fra projektets krav.