Nova Modula Monitorada Solvo por Fotovoltaikaj kaj Energiakonservantaj Elektrogenerado-Sistemoj

1. Enkonduko kaj Fondaĵo de la Studo

1.1 Nuna Stato de la Suna Industrio
Kiel unu el la plej abundaj fontoj de renaŭigebla energio, la disvolvo kaj utiligo de suna energio estas centra al la tutmonda transiro al energio. En lastaj jaroj, movitaj de politikoj ĉiuj lande, la fotovolta (PV) industrio spertis eksplozan kreskon. Statistiko montras, ke la PV-industrio en Ĉinio vidis streĉan 168-oblan pligrandiĝon dum la "12-a kvinjara planado" periodo. Je la fino de 2015, la instalita kapacito de PV superis 40 000 MW, okupante unuan lokon en la mondo por tri sinsekcaj jaroj, kun daŭrigata kresko antaŭvidata en la estonteco.

1.2 Eksistantaj Problemoj kaj Teknikaj Defioj
Malgraŭ rapida disvolvo, tradiciaj sistemoj de stokado de PV-energio ankoraŭ konfrontas multajn teknikajn botolnekanalajn problemojn en praktika apliko:

• Problemoj de la PV-Tabelo: Por kontentigi la postulojn pri ŝarĝo, voltajo kaj potenco, kutime granda kvanto de individuaj PV-celoj estas konektitaj en serio kaj paralele. Tiu strukturo estas malforta kontraŭ parta ombro, kaŭzante "mismatch" perdojn kaj efektojn de varmaj punktoj, kiuj signife malpliigas la efikecon kaj sekurecon de la sistemo.
• Problemoj de la Bateropako: Ankaŭ bateropakoj, uzantaj serian-paralelan konfiguron, esence konfrontas problemon de egalaĵo. Nesimileco de baterioj malboniĝas kun skalo, ne nur pligrandiganta la kompleksecon de la sistemo sed ankaŭ kaŭzante degradon de kapablo kaj mallongan vivperiodon, obstakligante grandegan aplikon.
• Insufiĉecoj de Eksistantaj Teknikoj: Kvankam iuj esploristoj proponis pasivajn egalaĵadministradteknikojn, tiuj metodoj nur ŝovas la problemon de egalaĵo sen plene konsideri la efikon de seria konektado de pluraj moduloj sur la subaj cirkvitoj. Ili ankaŭ mankas sciencan gvidon por elekti klavajn komponentojn, kiel PV-celoj.

II. Tuta Sistema Solvo kaj Topologio

La kerno de tiu solvo estas konstrui novan, modulan kaj vastigeblan topologion de energia sistemo.

2.1 Hierarkia Sistema Kompozicio
La sistemo estas strukturita hierarkie de la baza unuo supren en tri nivelojn:

1. Modulo (Baza Unuo):
• Kompozicio: Unu sola PV-celo, unu sola stokbaterio (kun matcita voltajo kaj kapacito), 4 povkomutiloj, kaj sendependa regilo.
• Funkcio: Kiel la plej malgranda sendependa unuo, la regilo administras la 4 komutilojn por ebligi sendependan konektadon/malkonektadon de la PV-celo kaj la baterio, permesante fleksible ŝalti inter kvin operacioreĝimoj.
2. Seria Ŝnuro:
• Kompozicio: Formita per konektado de kelkaj de la supraj moduloj en serio.
• Funkcio: Pligrandigas la totalan eligvoltajon de la ŝnuro por matci la enigvoltajon de la suba DC/DC boost-konvertilo.
3. Sistemo:
• Kompozicio: Formita per konektado de multaj seriaj ŝnuroj en paralelo, kunvenanta tra DC/DC konvertilo al komuna DC-buso.
• Funkcio: La DC-buso povas direktre provizi energion al DC-ŝarĝoj aŭ, tra DC/AC inversiilo, provizi energion al AC-ŝarĝoj.

2.2 Kerna Vortejoj
Tiu topologio, per sendependa kontrolado je nivelo de sola celo, fundamentale eliminas la inherentajn efektojn de ombro kaj problemojn de bateriegalaĵo de tradiciaj seriaj strukturoj je fizika nivelo. Kun prava elekto de komponentoj, la sistemo permesas al PV-celoj daŭrigi funkciadon proksime al sia maksimuma potenca punkto (MPP), do eliminante la bezonon por aldona MPPT-cirkvito kaj kompleksaj baterieadministradsistemoj (BMS).

III. Hierarkia Kontrola Strategio

Tiu solvo adoptas hierarkian kontrolstrategion por atingi rafinitan monitoradon de loka al globala nivelo.

3.1 Modula Nivela Monitorada Strategio (Sendependa Kontrolo)
Ĉiu modulo sendepende ŝaltas inter la sekvantaj 5 operacioreĝimoj bazitaj sur sia statuso (eliga voltajo de PV, bateriovoltajo):

3.2 Ŝnura Nivela Monitorada Strategio (Koordina Kontrolo de Voltajo)
Monitorado je ŝnura nivelo uzas la enigan voltajon de la DC/DC konvertilo (U_in) kiel la klavan parametron, stabiligante la voltajon per konektado/malkonektado de moduloj.

• Objekto de Kontrolo: Sekuri, ke U_in restas en la permesa funkciareĝimo de la DC/DC cirkvito (ekz., 12V ~ 22V).
• Logiko de Limvalora Kontrolo (ekz., por 24V-sistemo):
• Suba Limvaloro (16V): Se U_in < 16V, la monitoradosistemo aŭtomate serĉas modulon en la ŝnuro, kiu estas en standby-reĝimo sed havas normalan baterioladon, ordonas ilin konekti, prezentante la DC/DC elŝalti pro suba eniga voltajo.
• Supera Limvaloro (20V): Se U_in > 20V, la konektado de novaj moduloj estas limigita por sekuri, ke U_in ne superas la maksimuman enigan voltajon de la DC/DC.
• Protektlimvaloro (12V): Se U_in < 12V, la ŝnuro estas konsiderata esplorita, forta malkonekti ĝin. Ĉiuj moduloj iras en standby-reĝimon ĝis sufiĉa kvanto de baterioj resaniĝas.

3.3 Sistemanivelaj Kontrolstrategioj (Globa Protekto)
Monitorado je sistemanivelo fokusas sur sekurado de la kvalito de la provizo de energio, kun la voltajo de la DC-buso (U_bus) kiel la klava monitorpunkto.

• Logiko de Kontrolo: La voltajo de la DC-buso estas monitorata en reala tempo. Se la voltajo falas sub kritikan limvaloron (ekz., 80% de la valoro de 24V-sistemo, nome 22V), tio indikas insufiĉan totalan energion de la sistemo. La monitoradosistemo faros globan haltordon por protekti la inversilon kaj la equiparon de la ŝarĝo, sekurante la kvaliton de la energio de la AC-flanko.

IV. Metodo de Elekto de Klavaj Komponentoj

Por solvi la problemon de kombino de PV-celoj kaj stokbaterioj, tiu solvo proponas metodon de elekto, celanta maksimumigi la efikecon de la utiligo de suna energio.

• Centra Ideo: En tiu sistemo, la funkcianta voltajo de la PV-celo estas blokebla per la bateriovoltajo, farante la kombinon de iliaj voltaj parametroj esence grava.
• Modelo de Elekto: Bazite sur inĝeniera matematika modelo de la PV-celo (konsiderante la efektojn de temperaturo kaj radiado), la efikeco η de la sistemo estas derivita kiel funkcio de la bateriovoltajo U_BAT kaj la maksimuma potenca punkto de la voltajo de la PV-celo U_mp.
• Konkludo: Por 3.7V-stokbaterio kun funkcianta voltajo ĉirkaŭ 3.9V~4.0V, simulresultoj montras, ke la efikeco de la utiligo de suna energio de la sistemo estas plej alta, kiam la U_mp de la PV-celo estas ĉirkaŭ 4.25V. Do, en praktika elekto, la U_mp de la PV-celo devus esti regita en la intervalo de 4.2V ~ 4.3V.

V. Atendataj Rezultoj

1. Signifa Melioro de Efikeco: Modulara sendependa funkciado tute eliminas la inherentan "efekton de baldosa vico" kaj varmajn punktojn de seriaj strukturoj, sekurante ke ĉiu unuo funkciadas efike. Simultane, preciza kombinado de voltajoj inter PV kaj stoko ebligas aproksiman sekvecon de la maksimuma potenca punkto (MPPT) sen aldona cirkvito, grandegre plibonigante la efikecon de la produktado de energio.
2. Melioro de Vivperiodo kaj Fiabileco: La modulara strukturo fundamentale solvas la defiojn de egalaĵo kaŭzitaj de nesimileco de bateriopakoj, evitante superŝargo kaj supermalŝargo, efektive etendante la totalan vivperiodon de la sistemo. La hierarkia kontrolstrategio ofertas multajn nivelojn de protekto de loka al globala nivelo, signife plibonigante la robustecon de la sistemo.
3. Optimigo de Kosto kaj Konvena O&M: Tiu dizajno sukcese eliminas la bezonon por kompleksaj sekveciloj de la maksimuma potenca punkto (MPPT) kaj sistemoj de baterieadministrado (BMS), reduktante la kostojn de aparataro. Ĝia "Lego-jena" arĥitekturo faras instalon, manutenadon kaj vastigon tre konvena. Malsukceso de unu modulo ne afektas la totalan funkciadon, reduktante la totalkostojn dum la ciklo de vivo.