تاثیر دیودها بر بازده انرژی سیستم های انرژی خورشیدی چیست؟

一، عملکرد هسته و همبستگی بازده انرژی دیودها در سیستم های انرژی خورشیدی
1. دیود ضد شارژ معکوس: جریان معکوس را مسدود می کند و از ایمنی انرژی محافظت می کند
پانل های خورشیدی اساساً دستگاه های نیمه هادی با اتصالات PN هستند. در شب یا در روزهای بارانی، زمانی که ولتاژ خروجی آرایه فتوولتائیک کمتر از ولتاژ باس DC است، ممکن است باتری یا شبکه از طریق اینورتر دوباره به اجزای فتوولتائیک تخلیه شود. این جریان معکوس نه تنها انرژی ذخیره شده را مصرف می کند، بلکه باعث گرم شدن اجزا، تسریع پیری مواد و حتی منجر به فرار حرارتی می شود. دیود ضد شارژ معکوس (همچنین به عنوان دیود مسدود کننده شناخته می شود) به دلیل رسانایی یک طرفه خود، به طور موثر مسیر جریان معکوس را با هدایت در بایاس رو به جلو و مسدود کردن در بایاس معکوس مسدود می کند.

تاثیر بهره وری انرژی:

کنترل تلفات انرژی: افت ولتاژ هدایت دیودهای مبتنی بر{0} سیلیکون معمولی حدود 0.6 ولت است. اگر ولتاژ خروجی آرایه فتوولتائیک 100 ولت باشد، تلفات برق 0.6٪ است. استفاده از دیودهای شاتکی می تواند افت ولتاژ را به 0.2-0.3V کاهش دهد و تلفات را تا بیش از 50% کاهش دهد.
افزایش طول عمر سیستم: تحقیقات آزمایشگاه انرژی‌های تجدیدپذیر ایالات متحده (NREL) نشان می‌دهد که سیستم‌های فتوولتائیک بدون دیودهای ضد شارژ معکوس نسبت به پیکربندی‌های استاندارد در عرض 5 سال، 47 درصد نرخ خرابی بالاتری دارند و تلفات انرژی 20 تا 30 درصد افزایش می‌یابد.
2. بای پس دیود: رفع اثر نقطه داغ و بهبود پایداری تولید برق
هنگامی که برخی از سلول های خورشیدی در ماژول فتوولتائیک مسدود شده، آسیب می بینند، یا کاهش عملکرد را تجربه می کنند، جریان تولید شده توسط سلول های بدون مانع از ناحیه خطا عبور می کند و باعث افزایش شدید دمای محلی (تا 80 درجه یا بالاتر) می شود و یک "نقطه داغ" را تشکیل می دهد. نقاط داغ نه تنها پیر شدن سلول های باتری را تسریع می کند، بلکه ممکن است باعث بروز حوادث ایمنی مانند سوختن مواد بسته بندی و اتصال کوتاه در مدارها شود. دیود بای پس به صورت موازی در هر دو انتهای سلول باتری متصل می شود. هنگامی که ولتاژ در هر دو انتهای سلول باتری معیوب معکوس می شود، دیود به سرعت هدایت می شود و یک کانال بای پس با مقاومت کم برای جریان ایجاد می کند.

تاثیر بهره وری انرژی:

بهبود راندمان تولید برق: طبق داده‌های آزمایشی واقعی، نصب دیودهای بای‌پس تقسیم‌بندی شده می‌تواند بازده تولید برق قطعات را 30٪ -40٪ تحت پوشش محافظ جزئی افزایش دهد. به عنوان مثال، تلفات تولید برق سالانه یک نیروگاه فتوولتائیک خاص به دلیل پوشش درختان از 8٪ به 2.5٪ کاهش یافته است.
کاهش خطر نقص: سیستم های فتوولتائیک بدون دیودهای بای پس مستعد آسیب به اجزای ناشی از اثرات نقطه حرارتی هستند که 20% تا 30% را شامل می شود و تلفات تولید برق سالانه بیش از 5% است. سیستم پیکربندی استاندارد می تواند میزان خرابی زیر 5٪ را کنترل کند.
3. دیود ایزوله: بهینه سازی ساختار آرایه برای کاهش مصرف انرژی
در نیروگاه های فتوولتائیک بزرگ، آرایه فتوولتائیک معمولاً از چندین سری بسته باتری تشکیل شده است که به صورت موازی به هم متصل شده اند. اگر رشته خاصی از بسته‌های باتری به دلیل انسداد یا نقص در ولتاژ خروجی کاهش یابد، جریان سایر شاخه‌های ولتاژ بالا در جهت مخالف به شاخه ولتاژ پایین- جریان می‌یابد و در نتیجه ولتاژ خروجی کلی کاهش می‌یابد و «اثر بشکه» را تشکیل می‌دهد. دیودهای ایزوله به صورت سری در هر بسته باتری متصل می شوند تا از جریان برگشتی جلوگیری کنند و عملکرد مستقل هر شاخه را تضمین کنند.

تاثیر بهره وری انرژی:

توان خروجی پایدار: دیودهای ایزوله می توانند از افت کلی توان خروجی 10٪ -15٪ ناشی از یک خطای رشته جلوگیری کنند.
مقیاس پذیری سیستم پیشرفته: از طریق طراحی مدولار، دیودهای ایزوله از افزایش یا کاهش انعطاف پذیر تعداد بسته های باتری برای رفع نیازهای نیروگاه های فتوولتائیک در مقیاس های مختلف پشتیبانی می کنند.
2، تاثیر کمی پارامترهای عملکرد دیود بر بهره وری انرژی
1. افت ولتاژ هدایت و افت توان
افت ولتاژ هدایت (Vf) یک دیود مستقیماً بر راندمان تبدیل انرژی سیستم تأثیر می گذارد. یک سیستم فتوولتائیک 10 کیلوواتی را به عنوان مثال در نظر بگیرید:

دیود مبتنی بر سیلیکون (Vf=0.6V): اتلاف انرژی سالانه تقریباً 300 کیلووات ساعت.
دیود شاتکی (Vf=0.3V): کاهش سالانه اتلاف انرژی به 150 کیلووات ساعت، معادل تولید 0.15 درصد برق بیشتر.
جهت بهینه سازی:

دیودهای افت ولتاژ پایین{0} را انتخاب کنید (مانند دیودهای کاربید سیلیکون، Vf کمتر یا مساوی 0.2 ولت).
از طریق بهینه سازی توپولوژی مدار (مانند اتصال موازی چندین دیود) مقاومت معادل را کاهش دهید.
2. مقاومت ولتاژ معکوس و قابلیت اطمینان سیستم
سیستم های فتوولتائیک باید ولتاژهای بالا گذرا (مانند صاعقه و نوسانات شبکه) را تحمل کنند و ولتاژ مقاومت معکوس (VRRM) دیودها باید 1.5-2 برابر بیشتر از حداکثر ولتاژ سیستم باشد. اگر ولتاژ مقاومت کافی نباشد، ممکن است باعث خرابی دیود و فلج شدن سیستم شود.

مورد

به دلیل استفاده از دیودهایی با مقاومت ولتاژ ناکافی در یک نیروگاه فتوولتائیک بیابانی، 30 درصد از دیودها در هنگام افزایش ولتاژ ناشی از طوفان های شن شکسته شدند و در نتیجه 40 درصد قدرت خروجی آرایه کاهش یافت.
پس از جابجایی به دیودهای{0} ولتاژ بالا، میزان خرابی سیستم در شرایط آب و هوایی شدید به کمتر از 5٪ کاهش یافته است.
3. سرعت پاسخ و عملکرد پویا
در صحنه های سایه پویا مانند حرکت لایه ابر و پرواز پرنده، دیودها باید به سرعت به تغییرات ولتاژ پاسخ دهند تا از اتلاف انرژی جلوگیری کنند. زمان پاسخ دیودهای شاتکی (بر حسب نانوثانیه) سه مرتبه سریعتر از دیودهای معمولی (در میکروثانیه) است که امکان دور زدن به موقع سلول های باتری معیوب را فراهم می کند.

پشتیبانی از داده ها:

در سناریوهای سایه ای که به سرعت در حال تغییر هستند، دیودهای شاتکی می توانند تلفات تولید برق را 0.3٪ -0.5٪ کاهش دهند.
پس از استفاده از دیودهای شاتکی در یک پروژه فتوولتائیک توزیع شده، تولید برق سالانه 1.2 درصد افزایش یافت و دوره بازپرداخت سرمایه گذاری 6 ماه کوتاه شد.
3، تکامل فناوری دیود و روند بهبود بهره وری انرژی در سیستم های انرژی خورشیدی
1. نوآوری مواد: از سیلیکون- تا نیمه هادی های باندگپ گسترده
دیودهای سنتی مبتنی بر سیلیکون{0}} با مواد محدود می شوند و کاهش بیشتر افت ولتاژ هدایت و تلفات سوئیچینگ را دشوار می کند. نیمه هادی های باند گپ گسترده (مانند کاربید سیلیکون و نیترید گالیم) دارای ویژگی هایی مانند میدان الکتریکی شکست بالا و تحرک الکترون بالا هستند که می توانند افت ولتاژ هدایت کمتر (Vf کمتر یا مساوی 0.2 ولت) و فرکانس سوئیچینگ بالاتر (سطح مگاهرتز) را به دست آورند که به طور قابل توجهی بازده انرژی سیستم را بهبود می بخشد.

کاربردهای صنعتی:

سقف خورشیدی تسلا از دیودهای کاربید سیلیکون استفاده می کند که راندمان سیستم را 2٪ در مقایسه با راه حل های سنتی افزایش می دهد.
اینورتر SMA آلمان دیودهای نیترید گالیوم را ادغام می کند و چگالی توان را تا 50 درصد افزایش می دهد و 30 درصد از دست دادن انرژی را کاهش می دهد.
2. طراحی یکپارچه: از اجزای گسسته تا ماژول های هوشمند
با توسعه سیستم‌های فتوولتائیک به سمت تراکم{0} بالا و جهت‌های مدولار، طراحی یکپارچه دیودها و دستگاه‌های قدرت (مانند MOSFET و IGBT) به یک روند تبدیل شده است. ماژول هوشمند قدرت (IPM) اندوکتانس انگلی را کاهش می دهد، تلفات سوئیچینگ را کاهش می دهد و کارایی کلی سیستم را از طریق بهینه سازی بسته بندی و فناوری مدیریت حرارتی بهبود می بخشد.

مورد

اینورتر Huawei SUN2000 از یک ماژول دیود یکپارچه با راندمان سیستم 98.7٪ استفاده می کند که 1.2٪ بیشتر از راه حل دستگاه گسسته است.
اینورتر Sunshine Power SG3125HV از طریق طراحی هوشمند ماژول، 99% راندمان ردیابی MPPT و افزایش تولید برق سالانه 3% -5% را به دست می آورد.
3. کنترل دیجیتال: از حفاظت غیرفعال تا بهینه سازی فعال
با ترکیب فناوری‌های اینترنت اشیا (IoT) و هوش مصنوعی (AI)، دیودها می‌توانند به نظارت وضعیت، پیش‌بینی خطا و تنظیم تطبیقی ​​دست یابند. برای مثال، با نظارت بر دما، ولتاژ و جریان دیود در زمان واقعی، سیستم می‌تواند به صورت پویا استراتژی بای پس را برای جلوگیری از اتلاف انرژی ناشی از عملکرد نادرست، بهینه کند.

تمرین:

پس از استقرار یک سیستم نظارت دیود هوشمند در یک نیروگاه بزرگ فتوولتائیک، زمان مکان خطا از 2 ساعت به 5 دقیقه کاهش یافت و هزینه نگهداری سالانه 40٪ کاهش یافت.
سیستم ذخیره انرژی فتوولتائیک Ningde Times استراتژی کنترل دیود را از طریق الگوریتم هوش مصنوعی بهینه می کند و بازده سیستم را 0.8٪ افزایش می دهد و LCOE را 6٪ کاهش می دهد.