Soluzzjoni Ġdida ta’ Monitoraġġ Modulare għall-Sistemi ta’ Ġenerazzjoni tal-Energija Fotovoltaika u ta’ Immagazznament

1.Introduction and Research Background

1.1 Current State of the Solar Industry
Bħala waħda mill-iżorġ tal-enerġija rinnovabbli li hemm, il-miżhud u l-użu tal-enerġija solari ġew centrali għal it-tiftix globali ta’ l-enerġija. Fl-aħħar snin, spodrati mill-politiki f’kull parti tal-kulħadd, l-industrija fotovoltaika (PV) tletta żviluppa b’moħbija. Statistika jindikaw li l-industrija PV ta’ Ċina saret telfa 168 darba waqt il-perjodu tal-“12th Five-Year Plan”. Sa l-aħħar ta’ 2015, il-kapaċità installata ta’ PV iksebet aktar minn 40,000 MW, li kienet l-ewwel fl-ordni globali għal tliet sena konsekuttivi, u l-għalb magħmula fil-futur.

1.2 Existing Problems and Technical Challenges
Nonostante l-żvilupp rapidu, is-sistemi tradizzjonali ta’ stokkaggju tal-enerġija PV għadhom jiġu qabżi għall-problemi tekniki multipli fid-darbiet praktiċi:

• PV Array Issues: Biex tkun l-ivvjaġġjar tal-voltazz u l-potenza, solitament huwa neċessarju li numru kbir ta’ ċelli PV individwali jiġu miżjud serjalment u parallelament. Din is-struttura hija susċettibbli għal ombra parzjali, li ttagħmel "mismatch" u effetti ta’ hotspot, li jżgħamu l-effiċjenza u s-sigurtà tal-generazzjoni ta’ potenza tas-sistema.
• Energy Storage Battery Pack Issues: Il-batteriji, anki huma miżjud serjalment u parallelament, għandhom problema ta’ bilanġ. L-inkonsiżtenza tal-batteriji tisfieda skala, mhux biss tgħadil l-komplikanti tas-sistema imma wkoll tħassnu l-kapaċità u l-ħin ta’ l-ħajja, li jħassnu l-applikazzjonijiet fuq skala kbira.
• Insufficiencies in Existing Technologies: Anki xi ricercaturi proponnu tekniki ta’ maniġġament passiv ta’ bilanġ, dawn il-metodi biss jiġu sposta l-problema ta’ bilanġ mingħajr ma jikkonsidraw l-impat ta’ l-konnessjoni serjal ta’ moduli multipli fuq l-kartell downstream. Dawn inkolu mancanza ta’ direttivi scientifici għal l-assenjatur ta’ komponenti ħlief kif iċ-ċelli PV.

II. Overall System Solution and Topology

L-ilħna tas-soluzzjoni hija binti topologija novi, modulari, u skalabili tas-sistema tal-enerġija.

2.1 Hierarchical System Composition
Is-sistema hi strutturata hierarkikalment minn l-unità bażi sa tlett livelli:

1. Module (Basic Unit):
   • Composition: Ċellula PV wahda, batterija wahda ta’ stokkaggju (bil-voltazz u kapaċità compatibili), 4 swicci tal-potenza, u kontrolleur indipendenti.
   • Function: Bħala l-unità autonoma taz-żgħar, il-kontrollur jagħti direzzjonijiet għal is-swicci għal l-ivvjaġġjar u l-iddivjaġġjar tal-ċellula PV u l-batterija, li jaqbeż l-ivvjaġġjar beż-żewġ modi operattivi.
2. Series String:
   • Composition: Formata mill-konnessjoni serjal ta’ moduli multipli ta’ fuq.
   • Function: Jżgħad il-voltazz totali tal-string għal tmatchja mal-range tal-input voltazz tal-konvertitur DC/DC boost downstream.
3. System:
   • Composition: Formata mill-konnessjoni parallel tal-string multipli, li jiġu konverġenti tramiexx konvertitur DC/DC għal bus DC komuni.
   • Function: Il-bus DC tista’ tforni potenza diretta għal carichi DC jew, permezz ta’ inverter DC/AC, tforni potenza għal carichi AC.

2.2 Core Advantages
Din it-topologija, permezz tal-kontroll indipendenti tal-ċelli individuali, fundamentali elimina l-effetti ta’ ombra u l-problemi ta’ bilanġ tal-batteriji fis-sistemi serjali tradizzjonali fis-silġ fiziku. Bil-assenjatur propju tal-komponenti, is-sistema tillowed l-ċelli PV jopraw fir-reġjun tal-Punt ta’ Potenza Massima (MPP) konsistentement, blis-sodisfa l-bisognu ta’ sirkiti MPPT addizzjonali u sistemi ta’ maniġġament tal-batterija (BMS) komplikati.

III. Hierarchical Monitoring Strategy

Din is-soluzzjoni adotta strategija ta’ kontroll hierarkika biex tiġi realizzata monitoraġġ raffinata mill-lokal sa l-globali.

3.1 Module-Level Monitoring Strategy (Autonomous Control)
Kull modul automatikament jiġi ivvjaġġġat beż-żewġ modi operattivi ta’ 5 permezz ta’ status tiegħu (voltazz tal-output PV, voltazz tal-batterija):

3.2 String-Level Monitoring Strategy (Voltage Coordination Control)
Il-monitoraġġ string-level uża l-voltazz tal-input (U_in) tal-konvertitur DC/DC bħala parametru ċentru, stabilizzandu l-voltazz permezz tal-ivvjaġġjar u l-iddivjaġġjar tal-moduli.

• Control Objective: Sigura li U_in jibqa’ fit-range tal-operazzjoni permessa tal-kartell DC/DC (pereżempju, 12V ~ 22V).
• Threshold Control Logic (e.g., for 24V system):
  • Low Voltage Threshold (16V): Jiġi verifikat meta U_in < 16V, is-sistema ta’ monitoraġġ automatiċament tiftakkar għal moduli fil-string li huma fi mod stand-by imma għandhom carigg normali, ukollhum l-ordni lill-ivvjaġġjar, blis-sodisfa l-Dc/Dc mhuwiex jiffaċċa shut-down minħabba l-voltazz ta’ input bass.
  • High Voltage Threshold (20V): Jiġi verifikat meta U_in > 20V, l-ivvjaġġjar ta’ moduli ġodda jkun limitat biex is-sigura li U_in ma jkunx jisferra l-voltazz massimu tal-input tal-DC/DC.
  • Protection Threshold (12V): Jiġi verifikat meta U_in < 12V, is-string jkun ritenut esauritu, jiddivjaġġġa forzosament. Kull modul jentra fil-mod stand-by sakemm numru suffiċjenti ta’ batteriji jirrieġġu l-carigg tagħhom.

3.3 System-Level Monitoring Strategy (Global Protection)
Il-monitoraġġ tas-sistema jikkonsidra l-assigurazzjoni tal-kwalità tal-forniż tal-enerġija, bil-voltazz tal-bus DC (U_bus) bħala punt ċentru tal-monitoraġġ.

• Control Logic: Il-voltazz tal-bus DC jiġi monitorat ftit-tkel. Jiġi verifikat meta l-voltazz ifalla taħt threshhold kritiku (pereżempju, 80% tal-valur nominale tas-sistema ta’ 24V, jiġi dwejt 22V), dan jindika l-enerġija totale tas-sistema insufficienti. Is-sistema ta’ monitoraġġ se tippreżenta ordni globali ta’ shut-down biex proteġi l-inverter u l-equipament tal-carigg, blis-sodisfa l-kwalità tal-enerġija AC.

IV. Key Component Selection Method

Biex jissolvu l-problemu ta’ matchjar beż-żewġ iċ-ċelli PV u l-batteriji ta’ stokkaggju, din is-soluzzjoni proponi metodu ta’ selezzjoni mirat għal l-aument tal-effiċjenza ta’ l-użu tal-enerġija solari.

• Core Idea: F’dan is-sistema, il-voltazz ta’ operazzjoni tal-ċellula PV hija limitata mill-voltazz tal-batterija, li jgħadil l-importanza ta’ l-matchjar tal-parametri tal-voltazz tagħhom.
• Selection Model: Bazat fuq model matematiku ingegneristiku tal-ċellula PV (jiġi kunsiderat l-effetti tal-temperatura u l-irradjanza), l-effiċjenza tas-sistema η jiġi derivata bħala funzjoni tal-voltazz tal-batterija U_BAT u l-voltazz tal-punt massimu tal-potenza tal-ċellula PV U_mp.
• Conclusion: Għal batterija ta’ stokkaggju ta’ 3.7V bl-operazzjoni tal-voltazz taħt 3.9V~4.0V, ir-risultati tas-simulazzjoni jindikaw li l-effiċjenza tas-sistema tal-enerġija solari hija l-aktar alta meta l-U_mp tal-ċellula PV huwa approssimatament 4.25V. Għalhekk, fid-selezzjoni prattika, l-U_mp tal-ċellula PV għandu jkun kontroljat fit-range ta’ 4.2V ~ 4.3V.

V. Expected Outcomes

1. Significant Efficiency Improvement: L-operazzjoni modulari indipendenti eliminu l-effetti inherenti tal-"bucket-brigade" u l-problemi ta’ hot-spot ta’ strutturi serjali, assiguranti l-operazzjoni effiċjenti ta’ kull unità. Samment, l-matchjar preċiż tal-voltazz beż-żewġ iċ-ċelli PV u l-batteriji jippermettu l-MPPT approssimatament mingħajr sirkiti addizzjonali, blis-sodisfa l-aument sostanzjali tal-effiċjenza ta’ generazzjoni tal-potenza.
2. Enhanced Lifespan and Reliability: Is-struttura modulari fundamentali tisolvi l-problemi ta’ bilanġ causati mill-inkonsiżtenza tal-batteriji, avvitandu l-overcharging u l-over-discharging, blis-sodisfa l-aument sostanzjali tal-ħin ta’ l-ħajja tas-sistema. Il-strategija ta’ monitoraġġ hierarkika jippermettu l-protezzjoni multipla mill-lokal sa l-globali, blis-sodisfa l-aument sostanzjali tal-robustness tas-sistema.
3. Cost Optimization and Convenient O&M: Id-design jispiċċa b’sukċess l-bisognu ta’ sirkiti MPPT komplikati u sistemi ta’ maniġġament tal-batterija (BMS), blis-sodisfa l-aument sostanzjali ta’ l-effiċjenza ta’ l-kost. Is-struttura "Lego-like" tigħti l-installazzjoni, l-manutenzjoni, u l-esklużjoni estremament konvenjenti. It-taxxa ta’ modulu wahed mhux taffetta l-operazzjoni totali, blis-sodisfa l-aument sostanzjali ta’ l-effiċjenza ta’ l-kost tal-ċiklu tal-ħajja.