抽象的な
モジュールの不一致は、太陽光発電 (PV) システムの発電効率の向上を制限する主要な技術的ボトルネックの 1 つです。その本質は、直列回路内の PV モジュールの一貫性のない出力電流によって引き起こされる「バケット効果」です。国際エネルギー機関 (IEA) の太陽光発電システム プログラム (PVPS) の統計によると、太陽光発電所の不適合による世界平均の発電損失は 5% ～ 15% の範囲にあり、複雑な地形や運用とメンテナンスが不十分な発電所では 20% を超える場合もあります。中でも、傾斜角の違いは、山岳地帯や屋上などの複雑な設置シナリオにおける不整合の最も主な原因であり、不整合損失全体の約 40% ～ 60% を占めます。
PV モジュールの出力特性は、電流{0}}電圧 (I-V) 曲線と電力-電圧 (P-V) 曲線によって決まります。標準テスト条件 (STC: 放射照度 1000W/m²、セル温度 25 度、AM1.5 スペクトル) では、単一モジュールは独自の最大電力点 (MPP) を持ちます。
PV モジュールの短絡電流 (Isc) は、セル表面に入射する太陽放射照度にほぼ比例します。-これは、傾斜角の違いによって引き起こされる電流の不一致の中核となる物理的基盤です。式は次のように表されます。
Isc ≈ Isc_STC ×(G/GSTC)
どこ：
• Isc: 実際の短絡電流（A）-
• Isc_STC: 標準テスト条件下での短絡電流- (A)
• G: 実際の入射放射照度 (W/m²)
• G_STC: 標準試験放射照度 (1000W/m²)
複数のモジュールが直列に接続されてストリングを形成すると、キルヒホッフの流れの法則によれば、直列回路内のすべてのモジュールは同じ電流で動作する必要があります;一方、ストリングの合計電圧は各モジュールの動作電圧の合計に等しくなります。この特性により、直列システムは電流の違いに非常に敏感であることがわかります。
「バレル効果」（「最弱リンク」または「ボトルネック効果」とも呼ばれます）は、直列接続された PV モジュールで起こる現象の完璧な類似点です。-それぞれが異なる容量を持つ一連の樽がチェーンに接続されていると想像してください。システム全体を流れる水の量は、他のバレルの大きさに関係なく、最小容量のバレルによって制限されます。{3}}
PV ストリングでは、モジュールが電気的に直列に接続されているため、すべてのモジュールに同じ電流が流れる必要があります。最小の放射照度（次善の角度による）を受けるモジュールは、最小の電流を生成します。これにより、ストリング全体の電流が最低のパフォーマンスに一致することになり、より高いパフォーマンスのモジュールがその潜在能力を下回って動作することになります。-電力損失は相当なものになる可能性があり、個々の削減量の単純合計をはるかに超えます。
モジュール不一致の原因は複雑かつ多様であり、先天性不一致と後天性不一致の 2 つのカテゴリに分類できます。
同じバッチで製造されたモジュールであっても、半導体材料の純度や製造プロセスの変動などの要因により、電気的性能パラメータにはわずかな違いがあります。モジュールのメーカーは通常、モジュールの電力グレーディング (ビニング) を実行しますが、同じ電力ビン内のモジュールの電流差は依然として ±2.5% 以内である場合があります。
このような工場パラメータの違いによって生じる不整合損失は通常 2% ～ 3% ですが、これはすべての PV システムで完全に回避することはできない基本的な不整合損失です。
これが、実際のシステム ミスマッチ損失が基本値よりも大幅に大きくなる主な理由であり、具体的には次のことが挙げられます。
• 一貫性のない傾斜角と方位角(以下で詳しく分析します)
• シェーディングの不一致: 周囲の建物、木、山などによるシェーディングと、雲、鳥などによるダイナミックなシェーディングを修正しました。
• 汚れと経年劣化の不一致: モジュール表面の埃、雪、鳥の糞などの不均一な汚れ、および長期使用後の劣化率の違い-
• 温度の不一致：モジュールの放熱条件の違いによる温度ムラ
3. 傾斜角度の違いによって引き起こされる不一致の詳細なメカニズムと定量的分析-
傾斜角の不一致とは、同じシリーズのストリング内の異なるモジュールの設置傾斜角 (モジュール面と水平面の間の角度) が一貫していないことを指し、その結果、各モジュールが受け取る日射量が異なり、その結果、出力電流も異なります。これは、山岳地帯の PV システムと分散型の屋上 PV システムにおいて、最も一般的で見落とされやすいタイプの不一致です。
3.1 設置角度の違いがこれを悪化させる主な理由:
• 放射照度の変化: モジュールを異なる角度に傾けると、特にピーク時の直射日光の取り込みが少なくなります。たとえば、勾配が異なる傾斜屋根では、最適な傾斜の南向きモジュールは良好なパフォーマンスを発揮する可能性がありますが、浅い角度または急な角度の他のモジュールはパフォーマンスが低下します。-
• 日常的および季節的影響：角度はピーク出力だけでなく、一日全体のパフォーマンスにも影響します。不均一な傾きは、IV 曲線（電流電圧特性）の不整合を引き起こし、不整合損失を増加させます。-
• 他の要因との複合: モジュールの角度が不十分だと加熱の仕方が異なるため、角度の違いによりシェーディング効果や温度勾配が悪化する可能性があります。.
さまざまな傾斜角での総平面放射照度を正確に計算することで、傾斜角の差と電流の差の関係を定量化できます。を取る北緯30度地域（中国の長江流域）を例として、次の表は、最適な傾斜角度（約 30 度）と比較した、設置傾斜角度ごとの年間総日射量と短絡電流の差を示しています。{0}
設置傾斜角度 （ 程度 ） | 年間総日射量 (kWh/平方メートル) | 最適な傾斜角に対する放射照度の差 (%) | 短絡電流の差（%）- |
| 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 (最適) | 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 |
主な結論:
1. 北緯 30 度の地域では、最適な傾斜角から 5 度偏差するごとに、年間放射照度は約 2%-4% 減少します。これは、短絡電流の 2% ～ 4% の減少に相当します。
2. 傾斜角の差が 20 度に達すると (たとえば、30 度対 10 度)、年間電流差は 12% を超える可能性があります。
3. 瞬間的な電流差は年平均差よりもはるかに大きい。たとえば、夏至の正午の太陽高度角は約 83.5 度であり、この時点で傾斜角 10 度のモジュールが受け取る直接放射量は、傾斜角 30 度のモジュールが受け取る直接放射量よりも約 15% 高くなります。一方、冬至の正午には、太陽高度角は約 36.5 度であり、傾斜角 10 度のモジュールが受け取る直接放射量は、傾斜角 30 度のモジュールが受け取る直接放射量よりも約 25% 低くなります。
モジュールの不一致の問題に向けて、業界ではさまざまなソリューションが開発されてきました。その中心的な考え方は次のとおりです。「直列電流は一定でなければならない」という制限を打ち破るまたは電流差を最小限に抑える.
これは最も基本的で低コストのソリューションであり、すべてのプロジェクトが最初に採用すべき対策でもあります。{0}
1. 「同じ傾斜角度、同じストリング」の原則を厳密に実装：これが傾斜角度の不一致を防ぐための黄金律です。同じ傾斜角と方位角を持つモジュールは同じストリング内で直列に接続する必要があり、異なる傾斜角/方向を持つモジュールを決して直列に接続してはなりません。
2. 文字列の長さを適度に短くする: 傾斜角の差が大きい領域では、ストリングの長さを適切に短くすることで (22 ～ 24 モジュールから 18 ～ 20 モジュールに)、ミスマッチの影響範囲を減らすことができます。
3. インバータMPPTチャネル分割の最適化: 異なる傾斜角度ゾーンのストリングを異なる MPPT チャンネルに接続し、各 MPPT チャンネルが同じ傾斜角度を持つストリングの最大電力点のみを追跡するようにします。
中国地上太陽光発電システム メーカー サプライヤー 工場 - 卸売サービス - 東朔新エネルギー
4.2 ストリングインバータ: マルチ-MPPTインバーター
従来のセントラル インバータには通常 1 ～ 2 個の MPPT チャネルしかありませんが、最新のストリング インバータには通常、複数の独立した MPPT チャネルが装備されています (6-12 またはそれ以上)。各 MPPT チャネルは、異なるストリングの最大電力点を独立して追跡できるため、単一の MPPT チャネルへの不一致の影響が制限されます。
傾斜角の不一致への影響: 異なる傾斜角度ゾーン間の不一致の問題は効果的に解決できますが、同じゾーン内のストリング内の傾斜角度の違いはまだ解決できません。
中国地上太陽光発電システム メーカー サプライヤー 工場 - 卸売サービス - 東朔新エネルギー
4.3 モジュール-レベルのパワー エレクトロニクス (MLPE) テクノロジー
これは現在、傾斜角の不一致を解決するための最も効果的な技術ソリューションであり、主にパワー オプティマイザーとマイクロインバーターが含まれます。
1. パワーオプティマイザー
電力オプティマイザーは各モジュールの背面にインストールされており、モジュールと 1 対 1 に対応しています。{0}{1}各モジュールの動作電圧と電流を個別に調整して、各モジュールを独自の最大電力点で動作させ、直列回路に直流を出力できます。
傾斜角の不一致への影響: ストリング内の傾斜角の違いによる電流の不一致を完全に排除し、各モジュールが最大電流を出力できるようにします。測定データによると、傾斜角の差が大きい山岳地帯の発電所では、パワーオプティマイザーを使用すると発電量が15～20％増加する可能性があります。
2. マイクロインバータ
マイクロインバータは各モジュールの背面に直接取り付けられ、モジュールの直流出力を直接交流に変換し、送電網に並列接続します。各モジュールは独立した発電ユニットであり、直列電流の制限がまったくありません。
傾斜角の不一致への影響: 傾斜角の不一致の問題をすべて完全に解決し、各モジュールは傾斜角の違いに関係なく独立して動作します。
当社は、上記のすべてのソリューションと完全なシステムを提供できます。必要な場合は、お問い合わせください。
PV 技術の継続的な進歩に伴い、モジュールの不一致問題に対する解決策も継続的に革新および開発されています。
1. より効率的なMLPEテクノロジー: 新世代のパワー オプティマイザとマイクロインバータの変換効率は 99% を超え、自己消費電力はさらに削減され、コストは継続的に低下しています。-
2. スマートモジュール技術: パワー オプティマイザまたはマイクロインバータをモジュールと統合してスマート モジュールを形成し、設置プロセスを簡素化し、システムの信頼性を向上させます。
3. デジタルツインテクノロジー：デジタルツインテクノロジーを使用して太陽光発電所の仮想モデルを構築し、さまざまな稼働条件下でのミスマッチ損失を正確にシミュレートし、早期警告と最適な制御を実現します。
4. 新しいバッテリー技術: シングル モジュール、ハーフカット モジュール、スライス モジュールなどのセル セグメンテーションと最適化された接続方法により、シェーディングや不一致の影響が軽減されます。-たとえば、ハーフカットモジュールは、日陰による電力損失を約 50% 削減できます。-
モジュールの不一致は太陽光発電システムでは避けられない現象であり、複雑な設置シナリオでは、傾斜角の違いが不一致の主な原因となります、その結果生じる発電損失は 15% 以上に達する可能性があります。傾斜角の違いは、モジュールが受け取る太陽放射量に影響を与えるため、モジュールの出力電流の不一致に直接つながり、直列回路の「バケット効果」を通じてストリング全体の発電を制限します。
さまざまな種類の太陽光発電所では、地形条件、傾斜角の差の大きさ、投資予算などの要因に応じて、最も適切な不一致解決策を選択する必要があります。地上設置型発電所では、複数の MPPT ストリング インバータを優先できます。{{2}傾斜角の差が大きい山岳地帯や屋上などの複雑なシナリオでは、モジュール-レベルのパワーエレクトロニクス技術が発電量の大幅な改善と投資収益をもたらします。
