چگونه نسبت ظرفیت نیروگاه‌های خورشیدی را به طور منطقی طراحی کنیم

با افزایش تقاضای جهانی برای انرژی تجدیدپذیر، فناوری تولید برق خورشیدی به سرعت توسعه یافته است. به عنوان حامل هسته‌ای فناوری تولید برق خورشیدی، منطق طراحی نیروگاه خورشیدی مستقیماً بر کارایی تولید برق، پایداری عملیاتی و منافع اقتصادی نیروگاه تأثیر می‌گذارد. در میان این عوامل، نسبت ظرفیت، به عنوان یک پارامتر کلیدی در طراحی نیروگاه خورشیدی، تأثیر مهمی بر عملکرد کلی نیروگاه دارد. هدف این مقاله بررسی روش‌های منطقی طراحی نسبت ظرفیت نیروگاه خورشیدی برای بهبود کارایی تولید برق و اقتصادی بودن آن است.

۰۱ چشم انداز کلی در مورد نسبت ظرفیت ایستگاه فتوولتاییک
نسبت ظرفیت ایستگاه فتوولتاییک به معنای نسبت ظرفیت نصب شده پانل‌های فتوولتاییک به ظرفیت تجهیزات وارون‌ساز است.
به دلیل ناپایداری تولید برق فتوولتاییک و اینکه این روش به طور قابل توجهی تحت تأثیر محیط قرار می‌گیرد، طراحی نسبت ظرفیت ایستگاه فتوولتاییک صرفاً بر اساس تنظیم ۱:۱ ظرفیت نصب شده پانل‌های فتوولتاییک، سبب ضایعات ظرفیت وارون‌ساز می‌شود. بنابراین، با هدف بهبود کارایی تولید برق سیستم فتوولتاییک تحت شرایط عملکرد ثابت سیستم، طراحی نسبت ظرفیت بهینه باید بیشتر از ۱:۱ باشد. طراحی منطقی نسبت ظرفیت نه تنها می‌تواند حداکثر خروجی برق را افزایش دهد، بلکه قادر است به شرایط نوری مختلف سازگار شود و با برخی از ضایعات سیستم مقابله کند.

۰۲ عوامل اصلی مؤثر بر نسبت حجم
طراحی نسبت ظرفیت منطقی باید بر اساس شرایط خاص پروژه به طور جامع در نظر گرفته شود. عوامل موثر بر نسبت ظرفیت شامل کاهش مولفه‌ها، از دست دادن سیستم، تابش، زاویه نصب مولفه‌ها و غیره است. تحلیل دقیق به شرح زیر است.

۱. کاهش مولفه‌ها
در حالت کهنه‌شدن طبیعی، کاهش مولفه در سال اول حدود ۱٪ است، کاهش مولفه بعد از سال دوم تغییر خطی نشان خواهد داد و نرخ کاهش در طی ۳۰ سال حدود ۱۳٪ است، یعنی ظرفیت تولید سالانه مولفه در حال کاهش است و قدرت خروجی نامه‌دار به طور مداوم حفظ نمی‌شود، بنابراین طراحی نسبت ظرفیت فتوولتاییک باید کاهش مولفه را در طول دوره عمر کلی ایستگاه در نظر بگیرد تا تولید برق مولفه‌های هماهنگ شده را حداکثر کند و کارایی سیستم را افزایش دهد.

منحنی کاهش قدرت خطی ۳۰ ساله ماژول‌های فتوولتاییک

۲. از دست دادن سیستم
در سیستم فتوولتاییک، از بین رفت و ضیاعات مختلفی بین ماژول فتوولتاییک و خروجی وارون‌ساز وجود دارد، شامل ضیاعات سری و موازی ماژول، ضیاع ناشی از گرد و غبار، ضیاع کابل DC، ضیاع وارون‌ساز فتوولتاییک، و غیره می‌باشد. ضیاع هر یک از این مراحل، تأثیر مستقیمی بر توان خروجی واقعی وارون‌ساز نیروگاه فتوولتاییک خواهد داشت.

گزارش شبیه‌سازی نیروگاه فتوولتاییک PVsyst

همانطور که در شکل نشان داده شده است، تنظیمات واقعی و از دست دادن بازپس‌گیری پروژه می‌تواند توسط PVsyst در کاربرد پروژه شبیه‌سازی شود؛ تحت شرایط عادی، از دست دادن DC سیستم فتوولتاییک حدوداً 7-12٪، از دست دادن انورتر حدوداً 1-2٪ و از دست دادن کلی حدوداً 8-13٪ است. بنابراین، اختلاف از دست رفته بین ظرفیت نصب شده ماژول‌های فتوولتاییک و داده‌های تولید قدرت واقعی وجود دارد. اگر ظرفیت نصب شده مولفه به صورت 1:1 نسبت ظرفیت انورتر فتوولتاییک انتخاب شود، ظرفیت حداکثر خروجی واقعی انورتر فقط حدود 90٪ از ظرفیت نامی انورتر است، حتی وقتی نور بهترین وضعیت خود را دارد، انورتر به طور کامل بار نمی‌رسد و این موضوع میزان استفاده از انورتر و سیستم را کاهش می‌دهد.

3. شدت تابش در مناطق مختلف تغییر می‌کند
این مولفه تنها تحت شرایط عملیاتی STC (شرایط عملیاتی STC: شدت نور 1000W/m²، دمای باتری 25°C و کیفیت جوی 1.5) می‌تواند به توان خروجی نامه‌دار دست پیدا کند؛ اگر شرایط عملیاتی به شرایط STC نرسد، توان خروجی ماژول فتوولتاییک حتماً کمتر از توان نامه‌دار خود خواهد بود و توزیع زمانی منابع نور در طول روز نمی‌تواند همواره شرایط STC را برآورده کند، عمدتاً به دلیل تفاوت‌های بزرگ در شدت نور و دما در صبح، ظهر و عصر. همزمان، شدت نور و محیط در مناطق مختلف تأثیرات متفاوتی بر تولید برق ماژول‌های فتوولتاییک دارند، بنابراین در مرحله اول پروژه، لازم است با توجه به منطقه خاص، داده‌های منابع نور محلی را بررسی و محاسبات لازم را انجام دهید.

بر اساس استانداردهای طبقه‌بندی مرکز ارزیابی انرژی باد و خورشید سازمان هواشناسی کشور، می‌توان به داده‌های مشخصات تابش در مناطق مختلف دست یافت، و مجموع تابش خورشیدی سالانه به چهار دسته تقسیم می‌شود:

طبقه‌بندی تابش خورشیدی کلی سالانه

بنابراین، حتی در منطقه‌ای با منابع یکسان، اختلافات زیادی در میزان تابش طی سال وجود دارد. این بدان معناست که همچنین پیکربندی یکسان سیستم، یعنی نسبت ظرفیت تحت تولید برق یکسان نیست. برای دستیابی به تولید برق یکسان، می‌توان این کار را با تغییر نسبت حجم انجام داد.

زاویه نصب مولفه
در پروژه یکسان ایستگاه توان خورشیدی فتوولتاییک سویه کاربر، انواع مختلف屋INGS وجود خواهد داشت و زوایای طراحی متفاوتی برای بخش‌های مختلف سقف در نظر گرفته می‌شود. همچنین، شدت نور خورشیدی دریافتی توسط بخش‌های متناظر نیز متفاوت خواهد بود. به عنوان مثال، در یک پروژه صنعتی و تجاری در استان زhejiang، سقف‌های تیل رنگی و سقف‌های بتنی وجود دارد که زوایای طراحی شیب آن‌ها به ترتیب 3° و 18° است. داده‌های تابش سطح مایل شبیه‌سازی شده توسط PV برای زوایای مختلف شیب در شکل زیر نشان داده شده است. مشخص است که شدت نور خورشیدی دریافتی توسط بخش‌های نصب شده در زوایای مختلف متفاوت است. اگر سقف توزیع‌شده بیشتر با تیل‌ها پوشانده شده باشد، انرژی تولیدی بخش‌هایی با ظرفیت یکسان کمتر از آنهایی است که با زاویه شیب معینی دارند.

مجموع تابش با زاویه شیب 3°

مجموع تابش با زاویه شیب 18°

03 ایده‌های طراحی نسبت ظرفیت
بر اساس تحلیل فوق، طراحی نسبت ظرفیت عمدتاً برای بهبود سودمندی کلی نیروگاه با تنظیم ظرفیت دسترسی DC وارده به انورتر است. در حال حاضر، روش‌های پیکربندی نسبت ظرفیت به دو نوع مطابقت بیشینه جبرانی و مطابقت بیشینه فعال تقسیم می‌شوند.

1. مطابقت بیشینه جبرانی
مطابقت بیشینه جبرانی به این معنی است که با تنظیم نسبت حجم، انورتر می‌تواند خروجی بار کامل را هنگامی که نور بهترین وضعیت خود را دارد، داشته باشد. این روش فقط از دید جزئیات زیان در سیستم فتوولتاییک بهره می‌برد، با افزایش ظرفیت مولفه (مانند نمایش در شکل زیر)، می‌تواند زیان انرژی در فرآیند انتقال را جبران کند تا انورتر در استفاده واقعی اثر خروجی بار کامل را داشته باشد و هیچ زیان قطع نداشته باشد.

نمودار مطابقت بیشینه جبرانی

2. مطابقت بیشینه فعال
فیبرگیری فعال، شامل افزایش ظرفیت ماژول‌های فتوولتائیک بر پایه فیبرگیری جبران (مانند نمودار زیر) است. این روش علاوه بر در نظر گرفتن از دست دادهای سیستم، به طور کامل عواملی مانند هزینه سرمایه‌گذاری و درآمد را نیز در نظر می‌گیرد. هدف آن کاهش حداقل هزینه قدرت متوسط سیستم (LCOE) با تمدید فعال زمان کار کامل وارده است، تا تعادلی بین هزینه ورودی افزایشی مولفه‌ها و درآمد تولید انرژی سیستم پیدا کند. حتی در شرایط نورپردازی ضعیف، وارده همچنان در حالت بار کامل کار می‌کند، که این موضوع منجر به افزایش زمان کار کامل می‌شود؛ با این حال، منحنی واقعی تولید سیستم ممکن است پدیده «برش قله» را نشان دهد، مانند آنچه در نمودار نشان داده شده است، و در برخی بازه‌های زمانی در حالت محدودیت تولید قرار دارد. با این حال، تحت نسبت ظرفیت مناسب، LCOE کل سیستم کمترین مقدار خود را دارد، یعنی بهره‌وری افزایش می‌یابد.

نمودار فیبرگیری فعال

همانطور که در شکل زیر نشان داده شده است، هزینه معادل سرمایه (LCOE) با افزایش نسبت ظرفیت به صورت مداوم کاهش می‌یابد. در نقطهٔ نسبت فراوانی جبرانی، LCOE سیستم به کمترین مقدار نمی‌رسد. وقتی نسبت ظرفیت به بیشترین نقطهٔ فراوانی فعال رسید، LCOE سیستم به کمترین مقدار خود می‌رسد و پس از آن، با افزایش بیشتر نسبت ظرفیت، LCOE دوباره افزایش می‌یابد. بنابراین، نقطهٔ فراهمگونی فعال، نسبت ظرفیت بهینه سیستم است.

نمودار LOCE / نسبت ظرفیت

برای تبدیل‌کننده‌ها (inverter)، چگونگی دستیابی به کمترین LCOE سیستم نیازمند توانایی کافی برای فراallocação در سمت DC است تا این کار را انجام دهد. برای مناطق مختلف، به ویژه مناطقی که شرایط تابش آفتابی ضعیفی دارند، نیاز به طرح فراallocação فعال بالاتری وجود دارد تا زمان خروجی نامه‌ای تبدیل‌کننده را افزایش داده و کاهش حداکثر LCOE سیستم را تضمین کند.

04 نتایج و پیشنهادات
به طور خلاصه، روش‌های تخصیص بیش از حد جبرانی و فعال، راه‌های مؤثری برای بهبود کارایی سیستم‌های فتوولتاییک هستند، اما هر کدام دارای تمرکز خاص خود است. جبران تخصیص بیش از حد عمدتاً بر جبران ضیاعات سیستم متمرکز است، در حالی که تخصیص بیش از حد فعال بیشتر به دنبال تعادل بین افزایش ورودی و بهبود درآمد است. بنابراین، در پروژه واقعی، توصیه می‌شود که بر اساس نیازهای پروژه، طرح تنظیم نسبت ظرفیت مناسب را به صورت شامل انتخاب کنید.