Resumo
A incompatibilidade de módulos é um dos principais gargalos técnicos que restringem a melhoria da eficiência da geração de energia do sistema fotovoltaico (PV). Sua essência é o “efeito balde” causado por correntes de saída inconsistentes de módulos fotovoltaicos em um circuito em série. De acordo com estatísticas do Programa de Sistemas de Energia Fotovoltaica (PVPS) da Agência Internacional de Energia (AIE), a perda média global de geração de energia devido à incompatibilidade em usinas fotovoltaicas varia de 5% a 15%, podendo até ultrapassar 20% em usinas com terreno complexo ou operação e manutenção deficientes. Entre eles, a diferença do ângulo de inclinação é a causa mais dominante de incompatibilidade em cenários de instalação complexos, como áreas montanhosas e telhados, sendo responsável por aproximadamente 40%-60% do total de perdas por incompatibilidade.
1.Princípios básicos e mecanismos físicos de incompatibilidade de módulos fotovoltaicos
1.1 Características Elétricas dos Módulos Fotovoltaicos
As características de saída de um módulo fotovoltaico são determinadas por sua curva de corrente-tensão (I-V) e curva de potência-tensão (P-V). Sob condições de teste padrão (STC: irradiância 1000W/m², temperatura da célula 25 graus, espectro AM1.5), um único módulo possui um ponto de potência máximo (MPP) exclusivo.
A corrente de-curto-circuito (Isc) de um módulo fotovoltaico é aproximadamente proporcional à irradiância solar incidente na superfície da célula, que é a principal base física para a incompatibilidade de corrente causada por diferenças de ângulo de inclinação. A fórmula é expressa como:
Isc ≈ Isc_STC ×(G/GSTC)
Onde:
• Isc: corrente real-de curto-circuito (A)
• Isc_STC: Corrente-de curto-circuito sob condições de teste padrão (A)
• G: Irradiância incidente real (W/m²)
• G_STC: Irradiância de teste padrão (1000W/m²)
Quando vários módulos são conectados em série para formar uma string, de acordo com a Lei das Correntes de Kirchhoff,todos os módulos em um circuito em série devem operar na mesma corrente; enquanto a tensão total da string é igual à soma das tensões de operação de cada módulo. Esta característica determina que os sistemas em série sejam extremamente sensíveis às diferenças de corrente.
1.2 Mecanismo Central do Fenômeno de Incompatibilidade
O "efeito barril" (também conhecido como "elo mais fraco" ou "efeito gargalo") é uma analogia perfeita para o que acontece em módulos fotovoltaicos-conectados em série. Imagine uma série de barris conectados em uma corrente, cada um com uma capacidade diferente. A quantidade de água que pode fluir por todo o sistema é limitada pelo barril com a menor capacidade-independentemente do tamanho dos outros.
Em uma string fotovoltaica, os módulos são conectados eletricamente em série, o que significa que a mesma corrente deve fluir por todos eles. O módulo que recebe menos irradiância (devido a um ângulo abaixo do ideal) gerará a corrente mais baixa. Isso força a corrente de toda a string a corresponder ao desempenho mais baixo, fazendo com que os módulos-de desempenho mais alto operem abaixo de seu potencial. As perdas de energia podem ser substanciais, excedendo em muito a simples soma das reduções individuais.
2. Principais causas de incompatibilidade de módulo fotovoltaico
As causas da incompatibilidade de módulos são complexas e diversas e podem ser divididas em duas categorias: incompatibilidade congênita e incompatibilidade adquirida.
2.1 Incompatibilidade Congênita: Diferenças nos Parâmetros de Fábrica
Mesmo os módulos produzidos no mesmo lote apresentam pequenas diferenças em seus parâmetros de desempenho elétrico devido a fatores como pureza do material semicondutor e flutuações no processo de produção. Os fabricantes de módulos geralmente realizam classificação de potência (binning) em módulos, mas os módulos dentro do mesmo compartimento de potência ainda podem ter diferenças de corrente dentro de ±2,5%.
A perda de incompatibilidade causada por tais diferenças nos parâmetros de fábrica é geralmente de 2% a 3%, o que é uma perda básica de incompatibilidade que não pode ser completamente evitada em todos os sistemas fotovoltaicos.
2.2 Incompatibilidade Adquirida: Ambiente Operacional e Fatores de Operação e Manutenção
Esta é a principal razão pela qual a perda real de incompatibilidade do sistema é muito maior do que o valor básico, incluindo especificamente:
• Ângulos de inclinação e ângulos de azimute inconsistentes(será analisado em profundidade abaixo)
• Incompatibilidade de sombreamento: Sombreamento fixo de edifícios, árvores, montanhas, etc., e sombreamento dinâmico de nuvens, pássaros, etc.
• Incompatibilidade entre sujidade e envelhecimento: Sujidade irregular, como poeira, neve, excrementos de pássaros na superfície do módulo e diferenças nas taxas de envelhecimento após operação-de longo prazo
• Incompatibilidade de temperatura: Temperaturas irregulares causadas por diferentes condições de dissipação de calor dos módulos
3. Mecanismo-profundo e análise quantitativa de incompatibilidade causada por diferenças de ângulo de inclinação
A incompatibilidade do ângulo de inclinação refere-se aos ângulos de inclinação de instalação inconsistentes (o ângulo entre o plano do módulo e o plano horizontal) de diferentes módulos na mesma sequência de série, resultando em diferentes quantidades de irradiância solar recebida por cada módulo e, portanto, diferenças na corrente de saída. Este é o tipo de incompatibilidade mais comum e facilmente esquecido em sistemas fotovoltaicos montanhosos e sistemas fotovoltaicos distribuídos em telhados.
3.1 Principais razões pelas quais as diferenças nos ângulos de instalação agravam isso:
• Variação de Irradiância: um módulo inclinado em um ângulo diferente captura menos luz solar direta, especialmente durante horários de pico. Por exemplo, em um telhado inclinado com inclinações variadas, módulos voltados-para o sul com inclinação ideal podem ter um bom desempenho, enquanto outros em ângulos mais rasos ou mais íngremes apresentam desempenho inferior.
• Impacto diário e sazonal: os ângulos afetam não apenas o pico de produção, mas também o desempenho ao longo do dia. Inclinações não{1}}uniformes levam a curvas IV incompatíveis (características de tensão-de corrente), aumentando as perdas incompatíveis.
• Combinando com outros fatores: As diferenças de ângulo podem piorar os efeitos de sombreamento ou gradientes de temperatura, pois módulos com ângulos inadequados podem aquecer de maneira diferente.
3.2 Correlação quantitativa entre a diferença do ângulo de inclinação e a corrente de saída do módulo
Podemos quantificar a relação entre a diferença do ângulo de inclinação e a diferença de corrente calculando com precisão a irradiância total do plano em diferentes ângulos de inclinação. Tomando oRegião de latitude 30 graus N(Bacia do rio Yangtze, na China), como exemplo, a tabela a seguir mostra a irradiância total anual e as diferenças de corrente de-curto-circuito para diferentes ângulos de inclinação da instalação em relação ao ângulo de inclinação ideal (aproximadamente 30 graus):
Ângulo de inclinação de instalação ( grau ) | Irradiância Total Anual (kWh/m²) | Diferença de irradiância em relação ao ângulo de inclinação ideal (%) | Diferença de corrente-curta do circuito (%) |
| 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 (ótimo) | 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 |
Principais conclusões:
1. Na região de latitude 30 graus N, para cada desvio de 5 graus do ângulo de inclinação ideal, a irradiância anual diminui em aproximadamente 2%-4%, correspondendo a uma diminuição de 2%-4% na corrente de curto-circuito.
2. Quando a diferença do ângulo de inclinação atinge 20 graus (por exemplo, 30 graus versus 10 graus), a diferença de corrente anual pode exceder 12%.
3. As diferenças de corrente instantâneas são muito maiores que as diferenças médias anuais. Por exemplo, ao meio-dia do solstício de verão, o ângulo de altitude solar é de aproximadamente 83,5 graus, momento em que a irradiância direta recebida por um módulo com ângulo de inclinação de 10 graus é cerca de 15% maior do que aquela recebida por um módulo com ângulo de inclinação de 30 graus; enquanto ao meio-dia do solstício de inverno, o ângulo de altitude solar é de aproximadamente 36,5 graus, e a irradiância direta recebida por um módulo com ângulo de inclinação de 10 graus é cerca de 25% menor do que aquela recebida por um módulo com ângulo de inclinação de 30 graus.
4. Comparação de soluções convencionais para incompatibilidade de módulos
Visando o problema de incompatibilidade de módulos, diversas soluções têm sido desenvolvidas na indústria, cuja ideia central équebrar a restrição de que "as correntes em série devem ser consistentes"ouminimizar diferenças de corrente.
4.1 Otimização de projeto especial para incompatibilidade de ângulo de inclinação
Esta é a solução mais básica e de menor-custo, e também a medida que todos os projetos devem adotar primeiro:
1. Implementar estritamente o princípio "mesmo ângulo de inclinação, mesma corda": Esta é a regra de ouro para evitar incompatibilidade de ângulo de inclinação. Módulos com o mesmo ângulo de inclinação e ângulo de azimute devem ser conectados em série na mesma sequência, e módulos com diferentes ângulos/orientações de inclinação nunca devem ser conectados em série.
2. Reduzir razoavelmente o comprimento da corda: Em áreas com grandes diferenças de ângulo de inclinação, encurtar adequadamente o comprimento da coluna (de 22 a 24 módulos para 18 a 20 módulos) pode reduzir a faixa de impacto da incompatibilidade.
3. Otimize a divisão do canal MPPT do inversor: Conecte strings de diferentes zonas de ângulo de inclinação a diferentes canais MPPT, de modo que cada canal MPPT rastreie apenas o ponto de potência máxima das strings com o mesmo ângulo de inclinação.
4.2 Inversor de cordas: Multi-inversores MPPT
Os inversores centrais tradicionais geralmente possuem apenas 1-2 canais MPPT, enquanto os inversores string modernos geralmente são equipados com vários canais MPPT independentes (6-12 ou até mais). Cada canal MPPT pode rastrear independentemente o ponto de potência máxima de diferentes cadeias, limitando assim o impacto da incompatibilidade a um único canal MPPT.
Efeito na incompatibilidade do ângulo de inclinação: Pode resolver efetivamente o problema de incompatibilidade entre diferentes zonas de ângulo de inclinação, mas ainda não consegue resolver as diferenças de ângulo de inclinação dentro de strings na mesma zona.
4.3 Módulo-Tecnologia de Eletrônica de Potência de Nível (MLPE)
Esta é atualmente a solução técnica mais eficaz para resolver a incompatibilidade de ângulo de inclinação, incluindo principalmente otimizadores de potência e microinversores:
1. Otimizador de energia
Os otimizadores de energia são instalados na parte traseira de cada módulo, correspondendo um-a-aos módulos. Ele pode ajustar independentemente a tensão e a corrente operacional de cada módulo, fazendo com que cada módulo funcione em seu próprio ponto de potência máxima e, em seguida, produza corrente contínua para o circuito em série.
Efeito na incompatibilidade do ângulo de inclinação: Pode eliminar completamente a incompatibilidade de corrente causada por qualquer diferença de ângulo de inclinação dentro da string, permitindo que cada módulo produza sua corrente máxima. Os dados medidos mostram que em usinas montanhosas com grandes diferenças de ângulo de inclinação, o uso de otimizadores de energia pode aumentar a geração de energia em 15% a 20%.
2. Microinversor
Os microinversores são instalados diretamente na parte traseira de cada módulo, convertendo a saída de corrente contínua do módulo diretamente em corrente alternada, que é então conectada em paralelo à rede. Cada módulo é uma unidade de geração de energia independente, completamente livre de restrições de corrente em série.
Efeito na incompatibilidade do ângulo de inclinação: Resolve completamente todos os problemas de incompatibilidade de ângulo de inclinação e cada módulo pode funcionar de forma independente, independentemente da diferença do ângulo de inclinação.
Nossa empresa pode fornecer todas as soluções e sistemas completos mencionados acima. Se precisar deles, entre em contato conosco!
7. Tendências de Desenvolvimento Futuro
Com o avanço contínuo da tecnologia fotovoltaica, as soluções para o problema de incompatibilidade de módulos também estão em constante inovação e desenvolvimento:
1. Tecnologia MLPE de maior eficiência: a eficiência de conversão de otimizadores de energia e microinversores de nova-geração excedeu 99%, com consumo próprio-de energia ainda mais reduzido e custos em declínio contínuo.
2. Tecnologia de módulo inteligente: Integração de otimizadores de potência ou microinversores com módulos para formar módulos inteligentes, simplificando o processo de instalação e melhorando a confiabilidade do sistema.
3. Tecnologia de gêmeo digital: Usando a tecnologia digital twin para construir um modelo virtual da usina fotovoltaica, simulando com precisão perdas de incompatibilidade sob diferentes condições de trabalho e realizando alerta precoce e controle ideal.
4. Nova tecnologia de bateria: como módulos em telhas, módulos de meio{0}}corte, módulos fatiados, etc., reduzem o impacto do sombreamento e da incompatibilidade por meio da segmentação de células e métodos de conexão otimizados. Por exemplo, módulos de meio-corte podem reduzir a perda de energia causada pelo sombreamento em aproximadamente 50%.
A incompatibilidade de módulos é um fenômeno inevitável em sistemas fotovoltaicos,entre os quais a diferença do ângulo de inclinação é a principal causa de incompatibilidade em cenários de instalação complexos, e a perda de geração de energia resultante pode chegar a mais de 15%. As diferenças de ângulo de inclinação levam diretamente a correntes de saída inconsistentes dos módulos, afetando a quantidade de irradiância solar recebida pelos módulos e, em seguida, limitam a geração de energia de toda a cadeia através do "efeito balde" do circuito em série.
Para diferentes tipos de usinas fotovoltaicas, a solução de incompatibilidade mais apropriada deve ser selecionada de acordo com fatores como condições do terreno, tamanho da diferença do ângulo de inclinação e orçamento de investimento. Usinas-montadas no solo podem dar prioridade a inversores multi-string MPPT; para cenários complexos, como áreas montanhosas e telhados com grandes diferenças de ângulo de inclinação, a tecnologia de eletrônica de potência em nível-de módulo trará melhorias significativas na geração de energia e retornos de investimento.
