Какво е влиянието на диодите върху енергийната ефективност на слънчевите енергийни системи?

一, Корелацията на основната функция и енергийната ефективност на диодите в системите за слънчева енергия
1. Диод против обратно зареждане: блокира обратния ток и предпазва енергийната безопасност
Слънчевите панели са по същество полупроводникови устройства с PN преходи. През нощта или в дъждовни дни, когато изходното напрежение на фотоволтаичната матрица е по-ниско от напрежението на DC шината, батерията или мрежата може да се разреди обратно към фотоволтаичните компоненти през инвертора. Този обратен ток не само консумира съхранена енергия, но също така причинява нагряване на компонентите, ускорява стареенето на материала и дори води до термично изтичане. Диодът против обратно зареждане (известен също като блокиращ диод) ефективно блокира пътя на обратния ток чрез провеждане в предно отклонение и блокиране в обратно отклонение поради своята еднопосочна проводимост.

Въздействие върху енергийната ефективност:

Контрол на загубата на енергия: Спадът на напрежението на проводимостта на обикновените силициеви -диоди е около 0,6 V. Ако изходното напрежение на фотоволтаичния масив е 100 V, загубата на мощност възлиза на 0,6%; Използването на диоди на Шотки може да намали спада на напрежението до 0,2-0,3V и да намали загубите с повече от 50%.
Удължен живот на системата: Изследване от Лабораторията за възобновяема енергия на САЩ (NREL) показва, че фотоволтаичните системи без диоди против обратно зареждане имат 47% по-висок процент на отказ в рамките на 5 години в сравнение със стандартните конфигурации, а загубите на енергия се увеличават с 20% -30%.
2. Байпасен диод: Разрешете ефекта на горещата точка и подобрете стабилността на генерирането на електроенергия
Когато някои слънчеви клетки във фотоволтаичния модул са запушени, повредени или изпитват влошаване на производителността, целият ток, генериран от свободните клетки, ще тече през зоната на повреда, причинявайки рязко повишаване на локалната температура (до 80 градуса или повече) и образувайки „гореща точка“. Горещите точки не само ускоряват стареенето на батерийните клетки, но също така могат да причинят инциденти, свързани с безопасността, като изгаряне на опаковъчни материали и късо съединение във веригите. Байпасният диод е свързан паралелно в двата края на акумулаторната клетка. Когато напрежението в двата края на дефектната акумулаторна клетка се обърне, диодът бързо провежда, осигурявайки байпасен канал с ниско съпротивление за тока.

Въздействие върху енергийната ефективност:

Подобряване на ефективността на генериране на електроенергия: Според действителните данни от теста, инсталирането на сегментирани байпасни диоди може да увеличи ефективността на генериране на електроенергия на компонентите с 30% -40% при частично екраниране. Например, годишната загуба на електроенергия от определена фотоволтаична електроцентрала, дължаща се на покритието с дървета, е намаляла от 8% на 2,5%.
Намаляване на риска от неизправност: Фотоволтаичните системи без байпасни диоди са предразположени към повреда на компонентите, причинена от топлинни точкови ефекти, което представлява 20% -30%, и годишни загуби на електроенергия, надвишаващи 5%; Системата за стандартна конфигурация може да контролира процента на отказ под 5%.
3. Изолационен диод: Оптимизирайте структурата на масива, за да намалите консумацията на енергия
В големите фотоволтаични електроцентрали фотоволтаичният масив обикновено се състои от множество серии батерийни пакети, свързани паралелно. Ако определена поредица от батерийни пакети претърпи спад в изходното напрежение поради препятствие или неизправност, токът на други клонове с високо-напрежение ще тече в обратна посока към клона с ниско-напрежение, което води до намаляване на общото изходно напрежение и образуване на „ефект на варела“. Изолационните диоди са свързани последователно във всяка батерия, за да се предотврати обратен поток на тока и да се осигури независима работа на всеки клон.

Въздействие върху енергийната ефективност:

Стабилна изходна мощност: Изолационните диоди могат да предотвратят цялостен спад на изходната мощност от 10% -15%, причинен от повреда на един низ.
Подобрена мащабируемост на системата: Чрез модулен дизайн, изолационните диоди поддържат гъвкаво увеличаване или намаляване на броя на батерийните пакети, за да отговорят на нуждите на фотоволтаични електроцентрали от различни мащаби.
2, Количествено въздействие на параметрите на ефективността на диода върху енергийната ефективност
1. Падане на напрежението на проводимост и загуба на мощност
Спадът на напрежението на проводимостта (Vf) на диод пряко влияе върху ефективността на преобразуване на енергията на системата. Като пример вземем фотоволтаична система от 10kW:

Диод на базата на силиций (Vf=0.6V): годишна загуба на енергия от приблизително 300kWh;
Диод на Шотки (Vf=0.3V): Годишната загуба на енергия е намалена до 150kWh, еквивалентно на генериране на 0,15% повече електроенергия.
Посока на оптимизация:

Изберете диоди с ултра{0}}нисък спад на напрежението (като диоди от силициев карбид, Vf По-малко или равно на 0,2 V);
Намалете еквивалентното съпротивление чрез оптимизиране на топологията на веригата (като паралелно свързване на множество диоди).
2. Устойчивост на обратно напрежение и надеждност на системата
Фотоволтаичните системи трябва да издържат на преходни високи напрежения (като удари на мълнии и флуктуации на мрежата), а обратното издържащо напрежение (VRRM) на диодите трябва да бъде 1,5-2 пъти по-високо от максималното напрежение на системата. Ако издържаното напрежение е недостатъчно, това може да причини повреда на диода и да предизвика парализа на системата.

случай

Поради използването на диоди с недостатъчно съпротивление на напрежението в пустинна фотоволтаична електроцентрала, 30% от диодите се развалиха по време на пикове на напрежението, причинени от пясъчни бури, което доведе до 40% намаление на изходната мощност на масива;
След преминаване към диоди с високо{0}}напрежение процентът на отказ на системата при екстремни климатични условия е намален до под 5%.
3. Скорост на реакция и динамични характеристики
В динамични сцени със сенки, като движение на облачен слой и летене на птици, диодите трябва бързо да реагират на промените в напрежението, за да избегнат загуба на енергия. Времето за реакция на диодите на Шотки (в наносекунди) е с три порядъка по-бързо от това на обикновените диоди (в микросекунди), което позволява по-навременен байпас на дефектни батерийни клетки.

Поддръжка на данни:

При бързо променящи се сценарии на сянка диодите на Шотки могат да намалят загубите при генериране на електроенергия с 0,3% -0,5%;
След приемането на диоди на Шотки в разпределен фотоволтаичен проект, годишното производство на електроенергия се увеличи с 1,2%, а периодът на изплащане на инвестицията беше съкратен с 6 месеца.
3, Еволюцията на диодната технология и тенденцията за подобряване на енергийната ефективност в слънчевите енергийни системи
1. Иновации в материалите: от силициеви-базирани до широкозонови полупроводници
Традиционните силициеви -диоди са ограничени от материали, което затруднява по-нататъшното намаляване на падането на напрежението на проводимост и загубите при превключване. Полупроводниците с широка забранена зона (като силициев карбид и галиев нитрид) имат характеристики като силно пробивно електрическо поле и висока подвижност на електрони, което може да постигне по-нисък спад на напрежението на проводимост (Vf По-малко или равно на 0,2 V) и по-висока честота на превключване (MHz ниво), което значително подобрява енергийната ефективност на системата.

Индустриални приложения:

Tesla Solar Roof използва диоди от силициев карбид, което повишава ефективността на системата с 2% в сравнение с традиционните решения;
Германският SMA инвертор интегрира диоди от галиев нитрид, увеличавайки плътността на мощността с 50% и намалявайки загубите на енергия с 30%.
2. Интегриран дизайн: от отделни компоненти до интелигентни модули
С развитието на фотоволтаичните системи към висока-плътност и модулни посоки интегрираният дизайн на диоди и захранващи устройства (като MOSFET и IGBT) се превърна в тенденция. Интелигентният захранващ модул (IPM) намалява паразитната индуктивност, намалява загубите при превключване и подобрява цялостната ефективност на системата чрез оптимизиране на опаковката и технология за управление на топлината.

случай

Инверторът Huawei SUN2000 използва интегриран диоден модул с ефективност на системата от 98,7%, което е с 1,2% по-високо от решението за дискретно устройство;
Инверторът Sunshine Power SG3125HV постига 99% MPPT ефективност на проследяване и годишно увеличение на производството на електроенергия от 3% -5% чрез интелигентен дизайн на модула.
3. Цифрово управление: От пасивна защита до активна оптимизация
Чрез комбиниране на технологиите за интернет на нещата (IoT) и изкуствен интелект (AI), диодите могат да постигнат мониторинг на състоянието, прогнозиране на грешки и адаптивна настройка. Например, чрез наблюдение на температурата, напрежението и тока на диода в реално-време, системата може динамично да оптимизира стратегията за байпас, за да избегне загуба на енергия, причинена от неправилна работа.

практика:

След внедряването на интелигентна диодна система за наблюдение в голяма фотоволтаична електроцентрала, времето за локализиране на повредата беше съкратено от 2 часа на 5 минути, а годишните разходи за поддръжка бяха намалени с 40%;
Фотоволтаичната система за съхранение на енергия на Ningde Times оптимизира стратегията за управление на диоди чрез AI алгоритъм, повишавайки ефективността на системата с 0,8% и намалявайки LCOE с 6%.