Abstrak
Ketidaksesuaian modul adalah salah satu hambatan teknis utama yang membatasi peningkatan efisiensi pembangkit listrik sistem fotovoltaik (PV). Esensinya adalah “efek ember” yang disebabkan oleh arus keluaran modul PV yang tidak konsisten dalam rangkaian seri. Menurut statistik dari Program Sistem Tenaga Fotovoltaik (PVPS) Badan Energi Internasional (IEA), rata-rata kehilangan pembangkit listrik global akibat ketidaksesuaian pada pembangkit listrik PV berkisar antara 5% hingga 15%, dan bahkan dapat melebihi 20% pada pembangkit listrik dengan medan yang rumit atau pengoperasian dan pemeliharaan yang buruk. Diantaranya, perbedaan sudut kemiringan merupakan penyebab ketidaksesuaian yang paling dominan pada skenario pemasangan yang kompleks seperti daerah pegunungan dan atap rumah, yang menyebabkan sekitar 40%-60% dari total kerugian ketidaksesuaian.
1.Prinsip Dasar dan Mekanisme Fisik Ketidaksesuaian Modul PV
1.1 Karakteristik Kelistrikan Modul PV
Karakteristik keluaran modul PV ditentukan oleh kurva-tegangan (I-V) arus dan kurva-tegangan daya (P-V). Di bawah Kondisi Pengujian Standar (STC: radiasi 1000W/m², suhu sel 25 derajat, spektrum AM1.5), satu modul memiliki Titik Daya Maksimum (MPP) yang unik.
Arus hubung singkat (Isc) modul PV kira-kira sebanding dengan radiasi matahari yang terjadi pada permukaan sel, yang merupakan dasar fisik inti untuk ketidaksesuaian arus yang disebabkan oleh perbedaan sudut kemiringan. Rumusnya dinyatakan sebagai:
Isc ≈ Isc_STC ×(G/GSTC)
Di mana:
• Isc: Arus hubung singkat aktual-(A)
• Isc_STC: Arus hubung singkat-dalam kondisi pengujian standar (A)
• G: Radiasi kejadian aktual (W/m²)
• G_STC: Uji radiasi standar (1000W/m²)
Ketika beberapa modul dihubungkan secara seri untuk membentuk sebuah string, menurut Hukum Kirchhoff Saat Ini,semua modul dalam rangkaian seri harus beroperasi pada arus yang sama; sedangkan tegangan total rangkaian sama dengan jumlah tegangan operasi masing-masing modul. Karakteristik ini menentukan bahwa sistem seri sangat sensitif terhadap perbedaan arus.
1.2 Mekanisme Inti Fenomena Ketidaksesuaian
"Efek barel" (juga dikenal sebagai "tautan terlemah" atau "efek kemacetan") adalah analogi sempurna untuk apa yang terjadi dalam modul PV{0}}yang terhubung secara seri. Bayangkan serangkaian barel yang dihubungkan dalam sebuah rantai, masing-masing dengan kapasitas berbeda. Jumlah air yang dapat mengalir melalui seluruh sistem dibatasi oleh tong dengan kapasitas terkecil-terlepas dari seberapa besar tong lainnya.
Dalam rangkaian PV, modul-modul dihubungkan secara listrik secara seri, artinya arus yang sama harus mengalir melalui semuanya. Modul yang menerima radiasi paling kecil (karena sudut suboptimal) akan menghasilkan arus paling rendah. Hal ini memaksa arus seluruh string untuk mencocokkan dengan kinerja terendah, menyebabkan modul-yang berkinerja lebih tinggi beroperasi di bawah potensinya. Hilangnya daya listrik bisa sangat besar, jauh melebihi jumlah pengurangan listrik yang terjadi secara individu.
2. Penyebab Utama Ketidaksesuaian Modul PV
Penyebab ketidakcocokan modul sangat kompleks dan beragam, dan dapat dibagi menjadi dua kategori: ketidakcocokan bawaan dan ketidakcocokan didapat.
2.1 Ketidakcocokan Bawaan: Perbedaan Parameter Pabrik
Bahkan modul yang diproduksi dalam batch yang sama memiliki sedikit perbedaan dalam parameter kinerja kelistrikannya karena faktor seperti kemurnian bahan semikonduktor dan fluktuasi proses produksi. Produsen modul biasanya melakukan pemeringkatan daya (binning) pada modul, namun modul dalam wadah daya yang sama mungkin masih memiliki perbedaan arus dalam kisaran ±2,5%.
Kerugian ketidakcocokan yang disebabkan oleh perbedaan parameter pabrik biasanya sebesar 2%-3%, yang merupakan kerugian ketidakcocokan dasar yang tidak dapat sepenuhnya dihindari di semua sistem PV.
2.2 Ketidaksesuaian yang Diperoleh: Lingkungan Pengoperasian dan Faktor Pengoperasian & Pemeliharaan
Inilah alasan utama mengapa kerugian ketidakcocokan sistem sebenarnya jauh lebih besar daripada nilai dasarnya, khususnya meliputi:
• Sudut kemiringan dan sudut azimuth tidak konsisten(akan dianalisis secara mendalam di bawah)
• Ketidakcocokan bayangan: Memperbaiki bayangan dari bangunan di sekitarnya, pepohonan, gunung, dll., dan bayangan dinamis dari awan, burung, dll.
• Ketidaksesuaian antara kekotoran dan penuaan: Kotoran yang tidak merata seperti debu, salju, kotoran burung pada permukaan modul, dan perbedaan tingkat penuaan setelah-pengoperasian jangka panjang
• Ketidaksesuaian suhu: Suhu tidak merata yang disebabkan oleh kondisi pembuangan panas modul yang berbeda
3. Mekanisme Mendalam dan Analisis Kuantitatif Ketidaksesuaian yang Disebabkan oleh Perbedaan Sudut Kemiringan
Ketidaksesuaian sudut kemiringan mengacu pada sudut kemiringan pemasangan yang tidak konsisten (sudut antara bidang modul dan bidang horizontal) dari berbagai modul dalam rangkaian seri yang sama, yang mengakibatkan jumlah radiasi matahari yang diterima oleh setiap modul berbeda, dan dengan demikian perbedaan arus keluaran. Ini adalah jenis ketidaksesuaian yang paling umum dan mudah diabaikan dalam sistem PV pegunungan dan sistem PV atap terdistribusi.
3.1 Alasan utama perbedaan sudut pemasangan memperburuk hal ini:
• Variasi Radiasi: Modul yang dimiringkan pada sudut berbeda menangkap lebih sedikit sinar matahari langsung, terutama pada jam sibuk. Misalnya, pada atap miring dengan kemiringan yang bervariasi,-modul yang menghadap ke selatan dengan kemiringan optimal mungkin memiliki kinerja yang baik, sementara modul lain yang memiliki sudut lebih dangkal atau lebih curam memiliki kinerja yang buruk.
• Dampak Harian dan Musiman: Sudut tidak hanya memengaruhi output puncak namun juga performa sepanjang hari. Kemiringan yang tidak-seragam menyebabkan ketidakcocokan kurva IV (karakteristik-tegangan arus), sehingga meningkatkan kerugian ketidakcocokan.
• Ditambah dengan Faktor Lain: Perbedaan sudut dapat memperburuk efek bayangan atau gradien suhu, karena modul dengan sudut yang buruk dapat menghasilkan panas yang berbeda.
3.2 Korelasi Kuantitatif Antara Perbedaan Sudut Kemiringan dan Arus Keluaran Modul
Kita dapat mengukur hubungan antara perbedaan sudut kemiringan dan perbedaan arus dengan menghitung secara akurat total radiasi bidang pada sudut kemiringan yang berbeda. Mengambilwilayah lintang 30 derajat LU(Lembah Sungai Yangtze di Tiongkok) sebagai contoh, tabel berikut menunjukkan total radiasi tahunan dan perbedaan-arus hubung singkat untuk berbagai sudut kemiringan pemasangan relatif terhadap sudut kemiringan optimal (kira-kira 30 derajat ):
Sudut Kemiringan Pemasangan ( derajat ) | Penyinaran Total Tahunan (kWh/m²) | Perbedaan Penyinaran Relatif terhadap Sudut Kemiringan Optimal (%) | Pendek-Perbedaan Arus Sirkuit (%) |
| 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 (Optimal) | 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 |
Kesimpulan Utama:
1. Di wilayah lintang 30 derajat LU, untuk setiap deviasi 5 derajat dari sudut kemiringan optimal, radiasi tahunan berkurang sekitar 2%-4%, setara dengan penurunan arus hubung singkat sebesar 2%-4%.
2. Ketika perbedaan sudut kemiringan mencapai 20 derajat (misalnya 30 derajat vs 10 derajat), perbedaan arus tahunan dapat melebihi 12%.
3. Perbedaan sesaat saat ini jauh lebih besar dibandingkan perbedaan rata-rata tahunan. Misalnya, pada tengah hari pada titik balik matahari musim panas, sudut ketinggian matahari kira-kira 83,5 derajat, yang pada saat itu radiasi langsung yang diterima modul dengan sudut kemiringan 10 derajat sekitar 15% lebih tinggi dibandingkan yang diterima modul dengan sudut kemiringan 30 derajat; sedangkan pada siang hari pada titik balik matahari musim dingin, sudut ketinggian matahari kira-kira 36,5 derajat, dan penyinaran langsung yang diterima modul dengan sudut kemiringan 10 derajat sekitar 25% lebih rendah dibandingkan yang diterima modul dengan sudut kemiringan 30 derajat.
4. Perbandingan Solusi Arus Utama untuk Ketidakcocokan Modul
Bertujuan untuk mengatasi masalah ketidaksesuaian modul, berbagai solusi telah dikembangkan di industri, yang ide intinya adalahmelanggar batasan bahwa "arus seri harus konsisten"ataumeminimalkan perbedaan yang ada.
4.1 Optimasi Desain Khusus untuk Ketidaksesuaian Sudut Kemiringan
Ini adalah solusi paling dasar dan berbiaya{0}terrendah, dan juga merupakan langkah pertama yang harus diadopsi oleh semua proyek:
1. Terapkan secara ketat prinsip "sudut kemiringan yang sama, tali yang sama".: Ini adalah aturan emas untuk mencegah ketidaksesuaian sudut kemiringan. Modul dengan sudut kemiringan dan sudut azimuth yang sama harus dihubungkan secara seri dalam string yang sama, dan modul dengan sudut/orientasi kemiringan yang berbeda tidak boleh dihubungkan secara seri secara bersamaan.
2. Memperpendek panjang senar secara wajar: Di area dengan perbedaan sudut kemiringan yang besar, memperpendek panjang tali secara tepat (dari 22-24 modul menjadi 18-20 modul) dapat mengurangi rentang dampak ketidaksesuaian.
3. Mengoptimalkan pembagian saluran MPPT inverter: Hubungkan senar dari zona sudut kemiringan yang berbeda ke saluran MPPT yang berbeda, sehingga setiap saluran MPPT hanya melacak titik daya maksimum senar dengan sudut kemiringan yang sama.
Pabrik Pemasok Produsen Sistem PV Surya Tanah Cina - Layanan Grosir - Dongshuo New Energy
4.2 Pembalik Tali: Multi-Inverter MPPT
Inverter sentral tradisional biasanya hanya memiliki 1-2 saluran MPPT, sedangkan inverter string modern umumnya dilengkapi dengan beberapa saluran MPPT independen (6-12 atau bahkan lebih). Setiap saluran MPPT dapat secara mandiri melacak titik daya maksimum dari string yang berbeda, sehingga membatasi dampak ketidakcocokan pada satu saluran MPPT.
Efek pada ketidaksesuaian sudut kemiringan: Dapat secara efektif mengatasi masalah ketidaksesuaian antara zona sudut kemiringan yang berbeda, namun tetap tidak dapat menyelesaikan perbedaan sudut kemiringan dalam string di zona yang sama.
Pabrik Pemasok Produsen Sistem PV Surya Tanah Cina - Layanan Grosir - Dongshuo New Energy
4.3 Modul-Teknologi Level Power Electronics (MLPE).
Saat ini solusi teknis paling efektif untuk mengatasi ketidaksesuaian sudut kemiringan, terutama mencakup pengoptimal daya dan mikroinverter:
1. Pengoptimal Daya
Pengoptimal daya dipasang di bagian belakang setiap modul, sesuai-satu-dengan modul tersebut. Ia dapat secara mandiri menyesuaikan tegangan dan arus operasi setiap modul, membuat setiap modul bekerja pada titik daya maksimumnya sendiri, dan kemudian mengeluarkan arus searah ke rangkaian seri.
Efek pada ketidaksesuaian sudut kemiringan: Dapat sepenuhnya menghilangkan ketidaksesuaian arus yang disebabkan oleh perbedaan sudut kemiringan dalam string, memungkinkan setiap modul mengeluarkan arus maksimumnya. Data terukur menunjukkan bahwa pada pembangkit listrik pegunungan dengan perbedaan sudut kemiringan yang besar, penggunaan pengoptimal daya dapat meningkatkan pembangkitan listrik sebesar 15%-20%.
2. Mikroinverter
Microinverter dipasang langsung di bagian belakang setiap modul, mengubah keluaran arus searah oleh modul langsung menjadi arus bolak-balik, yang kemudian dihubungkan secara paralel ke jaringan listrik. Setiap modul adalah unit pembangkit listrik independen, sepenuhnya bebas dari batasan arus seri.
Efek pada ketidaksesuaian sudut kemiringan: Sepenuhnya menyelesaikan semua masalah ketidakcocokan sudut kemiringan, dan setiap modul dapat bekerja secara independen terlepas dari perbedaan sudut kemiringan.
Perusahaan kami dapat memberikan semua solusi dan sistem lengkap yang disebutkan di atas. Jika Anda membutuhkannya, silakan hubungi kami!
7. Tren Perkembangan Masa Depan
Dengan kemajuan teknologi PV yang berkelanjutan, solusi terhadap masalah ketidaksesuaian modul juga terus berinovasi dan berkembang:
1. Teknologi MLPE dengan efisiensi lebih tinggi: Efisiensi konversi pengoptimal daya-generasi baru dan mikroinverter telah melampaui 99%, dengan semakin berkurangnya-konsumsi daya mandiri dan biaya yang terus menurun.
2. Teknologi modul pintar: Mengintegrasikan pengoptimal daya atau mikroinverter dengan modul untuk membentuk modul pintar, menyederhanakan proses instalasi dan meningkatkan keandalan sistem.
3. Teknologi kembar digital: Menggunakan teknologi kembar digital untuk membangun model virtual pembangkit listrik PV, secara akurat mensimulasikan kerugian ketidaksesuaian dalam kondisi kerja yang berbeda, dan mewujudkan peringatan dini dan pengendalian yang optimal.
4. Teknologi baterai baru: Seperti modul sirap, modul-yang dipotong setengah, modul yang diiris, dll., mengurangi dampak bayangan dan ketidakcocokan melalui segmentasi sel dan metode koneksi yang dioptimalkan. Misalnya, modul setengah-dapat mengurangi kehilangan daya yang disebabkan oleh bayangan sekitar 50%.
Ketidaksesuaian modul merupakan fenomena yang tidak bisa dihindari dalam sistem PV,di antaranya perbedaan sudut kemiringan merupakan penyebab utama ketidaksesuaian dalam skenario pemasangan yang rumit, dan kerugian pembangkitan listrik yang diakibatkannya bisa mencapai lebih dari 15%. Perbedaan sudut kemiringan secara langsung menyebabkan arus keluaran modul tidak konsisten dengan mempengaruhi jumlah radiasi matahari yang diterima oleh modul, dan kemudian membatasi pembangkitan listrik seluruh rangkaian melalui "efek ember" dari rangkaian seri.
Untuk berbagai jenis pembangkit listrik PV, solusi ketidaksesuaian yang paling tepat harus dipilih berdasarkan faktor-faktor seperti kondisi medan, ukuran perbedaan sudut kemiringan, dan anggaran investasi. Pembangkit listrik-yang dipasang di tanah dapat memberikan prioritas pada inverter string multi-MPPT; untuk skenario kompleks seperti daerah pegunungan dan atap rumah dengan perbedaan sudut kemiringan yang besar, teknologi elektronika daya tingkat modul akan menghasilkan peningkatan pembangkit listrik dan keuntungan investasi yang signifikan.
