Como projetar razoavelmente a relação de capacidade das usinas fotovoltaicas

Com o crescimento da demanda global por energia renovável, a tecnologia de geração de energia fotovoltaica tem sido rapidamente desenvolvida. Como o núcleo da tecnologia de geração de energia fotovoltaica, a razoabilidade no design da usina fotovoltaica afeta diretamente a eficiência na geração de energia, estabilidade operacional e benefícios econômicos da usina. Entre eles, a razão de capacidade, como um parâmetro-chave no design da usina fotovoltaica, tem um impacto importante no desempenho geral da usina. O objetivo deste artigo é discutir como projetar racionalmente a razão de capacidade da usina fotovoltaica para melhorar a eficiência na geração de energia e economia.

01 Visão geral da razão de capacidade da estação fotovoltaica
A razão de capacidade da estação fotovoltaica refere-se à proporção entre a capacidade instalada dos módulos fotovoltaicos e a capacidade do equipamento inversor.
Devido à instabilidade da geração de energia fotovoltaica e ao fato de ser muito influenciada pelo ambiente, uma razão de capacidade da estação fotovoltaica configurada simplesmente de acordo com a capacidade instalada dos módulos fotovoltaicos em uma relação 1:1 causará desperdício da capacidade do inversor fotovoltaico. Portanto, para melhorar a eficiência de geração de energia do sistema fotovoltaico sob a premissa de operação estável do sistema, a razão de capacidade ótima deve ser maior que 1:1. Um design racional de razão de capacidade pode não apenas maximizar a saída de potência, mas também adaptar-se a diferentes condições de iluminação e lidar com algumas perdas do sistema.

02 Principais fatores de influência na razão de volume
O design de uma razão de capacidade razoável precisa ser considerado de forma abrangente de acordo com a situação específica do projeto. Fatores que afetam a razão de capacidade incluem atenuação dos componentes, perdas do sistema, irradiação, ângulo de instalação dos componentes, entre outros. A análise específica é a seguinte.

1. Atenuação dos componentes
No caso de envelhecimento normal, a atenuação do primeiro ano do componente atual é de cerca de 1%, e a partir do segundo ano, a atenuação mostrará uma mudança linear, com uma taxa de atenuação de 30 anos de aproximadamente 13%, ou seja, a capacidade de geração anual do componente está diminuindo, e a saída de potência nominal não pode ser mantida continuamente. Portanto, o design da razão de capacidade fotovoltaica deve levar em consideração a atenuação do componente durante todo o ciclo de vida da usina para maximizar a geração de energia dos componentes correspondentes e melhorar a eficiência do sistema.

Curva de atenuação linear de potência de módulos fotovoltaicos por 30 anos

2. Perda do sistema
No sistema fotovoltaico, existem várias perdas entre o módulo fotovoltaico e a saída do inversor, incluindo as perdas de série e paralelo do módulo, perda por poeira acumulada, perda no cabo DC, perda do inversor fotovoltaico, etc. A perda em cada etapa afetará a potência de saída real do inversor da usina fotovoltaica.

Relatório de simulação de usina fotovoltaica PVsyst

Como mostrado na figura, a configuração real e a perda de oclusão do projeto podem ser simuladas pelo PVsyst no aplicativo do projeto; Em condições normais, a perda em DC do sistema fotovoltaico é de cerca de 7-12%, a perda do inversor é de cerca de 1-2%, e a perda total é de cerca de 8-13%. Portanto, existe uma diferença de perda entre a capacidade instalada dos módulos fotovoltaicos e os dados reais de geração de energia. Se a capacidade de instalação do componente for selecionada com base na razão de capacidade de 1:1 do inversor fotovoltaico, a capacidade máxima de saída real do inversor será de apenas cerca de 90% da capacidade nominal do inversor, mesmo quando a luz está em sua melhor condição, o inversor não estará totalmente carregado, reduzindo a utilização do inversor e do sistema.

3. A irradiação varia em diferentes regiões
O componente só pode atingir a potência nominal de saída sob condições de operação STC (condições de operação STC: A intensidade da luz é de 1000W/m², a temperatura da bateria é de 25°C e a qualidade atmosférica é de 1,5). Se as condições de trabalho não atingirem as condições STC, a potência de saída do módulo fotovoltaico será inevitavelmente menor do que sua potência nominal. A distribuição temporal dos recursos de luz em um dia não pode satisfazer completamente as condições STC, principalmente devido às grandes diferenças entre a radiação e a temperatura no início, meio e fim do dia. Ao mesmo tempo, a radiação e o ambiente de diferentes regiões têm efeitos variados na geração de energia dos módulos fotovoltaicos. Portanto, no início do projeto, é necessário entender os dados locais dos recursos de luz com base na região específica e realizar cálculos de dados.

De acordo com os padrões de classificação do Centro de Avaliação de Energia Eólica e Solar do Serviço Meteorológico Nacional, pode-se conhecer os dados específicos de irradiação em diferentes regiões, e a irradiação total da radiação solar anual é dividida em quatro níveis:

Classificação da irradiação total anual de radiação solar

Portanto, mesmo na mesma área de recursos, existem grandes diferenças na quantidade de radiação durante o ano. Isso significa que a mesma configuração do sistema, ou seja, a mesma proporção de capacidade sob geração de energia não é a mesma. Para alcançar a mesma geração de energia, isso pode ser feito alterando a proporção de volume.

4. Ângulo de instalação do componente
Haverá diferentes tipos de telhado no mesmo projeto para a estação fotovoltaica do lado do usuário, e ângulos de design de componentes diferentes estarão envolvidos de acordo com os tipos de telhado, e a irradiação recebida pelos componentes correspondentes também será diferente. Por exemplo, em um projeto industrial e comercial na província de Zhejiang, há telhados de telhas de aço colorido e telhados de concreto, e os ângulos de inclinação no design são de 3° e 18°, respectivamente. Os dados de irradiação da superfície inclinada simulados pelo PV para diferentes ângulos de inclinação estão mostrados na figura abaixo. Pode-se observar que a irradiação recebida pelos componentes instalados em diferentes ângulos é diferente. Se o telhado distribuído for predominantemente de telhas, a energia de saída dos componentes com a mesma capacidade será menor do que a dos que possuem um certo ângulo de inclinação.

Radiação total no ângulo de inclinação de 3°

Radiação total no ângulo de inclinação de 18°

Ideias de design da razão de capacidade 03
De acordo com a análise acima, o design da razão de capacidade tem como principal objetivo melhorar o benefício geral da usina por meio do ajuste da capacidade de acesso de corrente contínua do inversor. Atualmente, os métodos de configuração da razão de capacidade estão principalmente divididos em superdimensionamento compensatório e superdimensionamento ativo.

1. Compensar o superdimensionamento
O superdimensionamento compensatório significa que, ajustando a razão de volume, o inversor pode alcançar a saída de carga total quando a luz está em seu melhor momento. Este método leva em consideração apenas as perdas parciais no sistema fotovoltaico, aumentando a capacidade do módulo (como mostrado na figura abaixo), pode compensar a perda de energia no processo de transmissão, permitindo que o inversor alcance o efeito de saída de carga total no uso prático, sem perda de recorte.

Diagrama de superdimensionamento compensatório

2. Superdimensionamento ativo
O sobre dimensionamento ativo consiste em continuar a aumentar a capacidade dos módulos fotovoltaicos com base no sobre dimensionamento de compensação (conforme mostrado na figura abaixo). Este método não só leva em conta as perdas do sistema, mas também considera de forma abrangente os custos de investimento e outros fatores de receita. O objetivo é minimizar o custo médio de energia (LCOE) do sistema estendendo ativamente o tempo total de funcionamento do inversor, encontrando um equilíbrio entre o aumento do custo de entrada dos componentes e a receita de geração de energia do sistema. Mesmo em condições de iluminação pobres, o inversor pode operar em carga total, assim prolongando o tempo de trabalho em carga total; No entanto, a curva real de geração de energia do sistema apresentará o fenômeno de "corte de pico" como mostrado na figura, e em alguns períodos o sistema estará em um estado de geração limitada. No entanto, sob uma razão de capacidade apropriada, o LCOE do sistema como um todo será o mais baixo, ou seja, o benefício será aumentado.

Diagrama de sobre dimensionamento ativo

Como mostrado na figura abaixo, o Custo Levelizado da Energia (LCOE) continua a diminuir com o aumento da razão de capacidade. No ponto de excesso compensatório, o LCOE do sistema não atinge o valor mais baixo. Quando a razão de capacidade é aumentada ainda mais até o ponto de excesso ativo, o LCOE do sistema atinge o valor mais baixo, e o LCOE aumentará após um aumento adicional da razão de capacidade. Portanto, o ponto de sobre dimensionamento ativo é a razão de capacidade ótima do sistema.

Diagrama de LOCE/razão de capacidade

Para inversores, como atender ao menor LCOE do sistema exige uma capacidade suficiente de sobre alocação no lado CC para ser alcançada, para diferentes regiões, especialmente para áreas com condições de irradiação pobres, é necessário um esquema de sobre alocação ativa mais alto para estender o tempo de saída nominal do inversor e maximizar a redução do LCOE do sistema.

04 Conclusões e Sugestões
Resumindo, os esquemas de superdimensionamento compensatório e ativo são meios eficazes para melhorar a eficiência dos sistemas fotovoltaicos, mas cada um tem seu próprio foco. O superdimensionamento compensatório concentra-se principalmente na compensação das perdas do sistema, enquanto o superdimensionamento ativo dá mais atenção à busca de um equilíbrio entre o aumento do investimento e a melhoria da receita. Portanto, em projetos reais, recomenda-se selecionar de forma abrangente o esquema de configuração de razão de capacidade adequado de acordo com os requisitos do projeto.