Le tolleranze di potenza, il mismatch delle curve I-V e i flash reports dei moduli fotovoltaici F. Spertino filippo.spertino@polito.it Dip. Ingegneria Elettrica - Politecnico di Torino Sistemi fotovoltaici in conto energia, workshop PVENAS - Torino, 16 Dicembre 29
Introduzione: tolleranze e flash test Negli ultimi anni i costruttori di moduli fotovoltaici hanno ridotto le tolleranze sulla potenza nominale dal ±1% al ±5%; ±3%; ±2%. Ciò fa pensare che le perdite per mismatch delle curve I-V non siano più un problema anche negli impianti con potenze dal megawatt in su. Oss.: i dati di targa sono ottenuti con prove a luce artificiale (flash di pochi ms) in camera termostatizzata. Sistemi fotovoltaici in conto energia, workshop PVENAS - Torino, 16 Dicembre 29
Introduzione: tolleranze e flash test I sun simulators hanno varie classi di incertezza perché 1. lo spettro del flash è diverso da quello solare; 2. l'illuminazione non è uniforme sulla superficie; 3. il flash genera un impulso instabile. Nel migliore dei casi si raggiungono incertezze del ±1% per la disuniformità e del ±1% per la instabilità. Nel peggiore dei casi le incertezze salgono a ±6% per la disuniformità e del ±6% per la instabilità. Sistemi fotovoltaici in conto energia, workshop PVENAS - Torino, 16 Dicembre 29
Introduzione: tolleranze e flash test In realtà, i parametri elettrici delle celle solari sono suddivisi in numerose classi di potenza (6-12) e queste classi non sono separate ma si intersecano tra loro, se si tiene conto dell'incertezza di misura. Le tolleranze sulle potenze nominali dei moduli, a loro volta, risentono di questo difetto di definizione e la potenza minima garantita di una classe di potenza rientra nella classe di potenza immediatamente inferiore. Sistemi fotovoltaici in conto energia, workshop PVENAS - Torino, 16 Dicembre 29
Parametri per la tolleranza e il mismatch La potenza massima, risultante dalla connessione in serie/parallelo dei moduli/stringhe, è sempre inferiore alla somma delle potenze massime (di picco) dei moduli prima della connessione, anche nell'ipotesi di usare "superconduttori" senza perdite. Si possono definire due parametri simili... l ( array) mis = N m i= 1 ( i) ( P ) N m i= 1 P P ( i) ( array) considerando le P (i) dei flash reports Δp = P ( array) N N P m m P considerando la P di targa per tutti i moduli Sistemi fotovoltaici in conto energia, workshop PVENAS - Torino, 16 Dicembre 29
Connessione in serie con mismatch Spesso il mismatch è maggiore sulla corrente che sulla tensione, i moduli sono dotati di diodi di bypass I sc1 I sc1 I PP2 I PP1 I sc2 current current I PP2 V = V oc1 PP1 = Voc2 = VPP2 oc V = V PP I PP 1 = I PP (1 + ε ) 2P I PP I (1 2 = PP ε V PP V voltage oc ) power P Il caso di due moduli in serie... voltage 2V 2V PP oc Sistemi fotovoltaici in conto energia, workshop PVENAS - Torino, 16 Dicembre 29
Connessione in serie con mismatch Per calcolare il mismatch, è preferibile usare il modello non lineare per le curve I-V, perché l'approssimazione "rettilinea" è troppo pessimistica. Qui si vede il caso semplice con 2 soli moduli 8 7 fully non linear model linear piecewise approximation mismatch losses (%) 6 5 4 3 2 1 2 4 6 8 1 tolerance (%) Sistemi fotovoltaici in conto energia, workshop PVENAS - Torino, 16 Dicembre 29
Connessione in serie con mismatch Considerando il caso più generale con N s moduli in serie, di cui N s1 aventi potenza al limite superiore e i restanti (N s1 N s ) al limite inferiore, si nota che la condizione di massimo mismatch cambia al variare della tolleranza (dal 7% all'8%)... mismatch losses (%) 6 5 4 3 2 1 tolerance = 5% tolerance = 1% 2 4 6 8 1 percentage of modules at maximum power limit Sistemi fotovoltaici in conto energia, workshop PVENAS - Torino, 16 Dicembre 29
Connessione in parallelo con mismatch Nel parallelo di moduli (dotati di diodi di blocco) con mismatch di tensione le cose sono simili... 2I sc current I sc I PP I = sc1 = I sc2 I sc PP1 = I PP2 I PP 1 = PP (1 + ε ) I = V PP V current I sc V PP 2 = V PP (1 ε ) 2P V PP2 V oc2 V oc1 voltage power P Il caso di 2 moduli in parallelo... voltage V PP2 V oc1 V oc2 Sistemi fotovoltaici in conto energia, workshop PVENAS - Torino, 16 Dicembre 29
Connessione mista con mismatch Nel caso serie/parallelo (2 2) con 2 moduli affetti da "I-mismatch" e 2 affetti da "V-mismatch", il caso peggiore è quando si trovano nella stessa stringa moduli con mismatch di corrente e di tensione Table I. String configurations and the corresponding mismatch modules P max ismatch losses ε = 1% ε = 5% 1 2 2 P 4.6 % 1.4 % 1 3 2P ( 1+ ε ) 1.2 %.36 % 1 4 2 P 1.3 %.36 % 2 3 2 P 1.6 %.4 % 2 4 2P ( 1 ε ) 1.5 %.4 % 3 4 2 P % % Table II. Array configurations and the related mismatch combination ε = 1% ε = 5% 1 2 3 4 2.4%.71% 1 3 2 4 3.1%.79% 1 4 2 3 3.3%.8% Sistemi fotovoltaici in conto energia, workshop PVENAS - Torino, 16 Dicembre 29
Due casi reali a confronto Si presentano i risultati per un impianto da 2 W con moduli recenti a bassa tolleranza e per un impianto da 2 kw con moduli più vecchi a maggiore tolleranza. L'impianto da 2 W è fatto con 8 array da 25 kw per un totale di 928 moduli, ma solo per il 5% sono disponibili i flash reports. Parameters PV module type P-22 I-165 Rated voltage V PP [V] 28.5 17.4 Rated current I PP [A] 7.55 9.48 Open circuit voltage V oc [V] 36.3 21.6 Short circuit current I sc [A] 8.2 1.14 Rated power P [W] 215±3% 165±1% Sistemi fotovoltaici in conto energia, workshop PVENAS - Torino, 16 Dicembre 29
Casi reali a confronto: l'impianto da 2 W Per i moduli recenti le distribuzioni dei parametri elettrici di 46 moduli sono regolari e vicine ai valori nominali: la produzione di serie rispecchia i dati di targa..25.2.4.3.2.1 V oc.4.3.2.1 I sc.15.1-5 5 deviation (%) -5 5 deviation (%).5-6 -4-2 2 4 6 deviation from rated power (%).4.3.2.1 V PP.4.3.2.1 I PP -5 5 deviation (%) -5 5 deviation (%) Sistemi fotovoltaici in conto energia, workshop PVENAS - Torino, 16 Dicembre 29
Casi reali a confronto: l'impianto da 2 W La simulazione delle stringhe è stata estesa a 1 possibili combinazioni delle 46 curve I-V dei moduli da 215 W 1.35 8.3 6.25 current [A] 4 2.2.15.1.5-2 -1 1 2 3 4 5 6 voltage [V] Perdite di mismatch su un array sono < 1% Rated power Nm P 247.68 kw odule power P ) 247.6 kw Actual power ismatch Deviation.2.4.6.8.1.12 mismatch losses (%) m (i (array) P 246.17 kw (array) l.57 % mis Δ p -.61 % Sistemi fotovoltaici in conto energia, workshop PVENAS - Torino, 16 Dicembre 29
Casi reali a confronto: l'impianto da 2 kw Per i moduli più vecchi le distribuzioni dei parametri elettrici di 12 moduli non sono regolari né vicine ai valori nominali: la produzione di serie non rispecchia del tutto i dati di targa..25.2.15.1.4.3.2.1 V oc -5 5 deviation (%).4.3.2.1 I sc -5 5 deviation (%).5-6 -4-2 2 4 6 deviation from rated power (%).4.3.2.1 V PP.4.3.2.1 I PP -5 5 deviation (%) -5 5 deviation (%) Sistemi fotovoltaici in conto energia, workshop PVENAS - Torino, 16 Dicembre 29
La simulazione delle stringhe è stata estesa a 2 possibili combinazioni delle 12 curve I-V dei moduli da 165 W Casi reali a confronto: l'impianto da 2 kw 12.25 1 8.2 current [A] 6 4.15.1 2.5-2 -1 1 2 3 4 5 6 voltage [V] Perdite di mismatch sull'array sono < 1%.5.1.15.2 mismatch losses (%) Rated power Nm P 19.8 kw odule power P ) 19.64 kw m (i (array) Actual power P 19.54 kw (array) ismatch l mis.56 % Deviation Δ p -1.33 % Sistemi fotovoltaici in conto energia, workshop PVENAS - Torino, 16 Dicembre 29
Prove sperimentali sull'impianto da 2 W Sono stati provati tutti gli 8 array in condizioni reali di irradianza e temperatura (vicine alle STC), ma con varie fonti di perdita: tolleranza di potenza e mismatch delle curve I-V; riflessione del vetro limitata perché G = 83-11 W/m 2 e sporcizia contenuta per la pioggia caduta prima delle misure (2%); sezioni dei cavi adeguate per le lunghezze in gioco, diodi e fusibili con bassa c.d.t. (2%). Parameters Arrays with 72 strings Arrays with 73 strings #1 #2 #3 #4 # 5 # 6 # 7 # 8 G [W/m 2 ] 115 993 924 862 163 961 928 838 T c [ C] 34. 36.7 41.3 38.2 33.9 32.5 4.9 38.5 P [kw] 228. 23.2 19.4 181.2 219.2 216.4 189.2 162.1 V PP [V] 395.41 396.1 394.32 4.96 395.66 43.42 394.64 47.12 I PP [A] 576.7 513. 483. 451.9 554. 52.8 479.5 398.2 V oc [V] 566.55 556.9 545.67 55.7 564.37 564.77 543.54 548.92 I sc [A] 651.3 567.4 531.8 498.7 614.8 553.7 537.2 436.9 FF 61.8% 64.3% 65.6% 66.% 63.2% 69.2% 64.8% 67.6% V PP / V oc.7.71.72.73.7.76.73.74 I PP / I sc.88.9.91.91.9.91.89.91 P @ STC [kw] 221.7 217. 22.9 218.7 219.1 232. 217.9 2.5 V PP @ STC [V] 421.3 419.35 422.29 414.14 424.97 445.23 418.99 422.6 I PP @ STC [A] 526.5 517.5 523.1 528.1 515.6 521.2 52.1 474.4 Sistemi fotovoltaici in conto energia, workshop PVENAS - Torino, 16 Dicembre 29
Prove sperimentali sull'impianto da 2 W L'incertezza di misura sulla P (array) è del 4%; gli scarti di potenza sono molto superiori al previsto, solo l'array 6 ha uno scarto ragionevole che evidenzia un 3-4% per tolleranza di potenza e mismatch delle curve I-V. 6 5 I-V G = 961 W/m 2 T c = 32.5 C I-V @ STC 3 25 Ulteriore 3-5% attribuito ad anomalie nei fusibili Current [A] 4 3 2 P-V @ STC P-V 2 15 1 Power [kw] G T c V oc I (array) sc P P (array) @STC ± 2.5 % ± 2 C ±,1 % ± 1 % ± 1,1 % ±4 % 1 5 1 2 3 4 5 6 7 Voltage [V] Arrays with 72 strings Arrays with 73 strings Parameters #1 i #2 #3 #4 # 5 # 6 # 7 ii # 8 iii Rated power [kw] 253.4 247.7 247.7 247.7 251.1 251.1 245.3 227. (array) P [kw] 221.7 217. 22.9 218.7 219.1 232. 217.9 2.5 Δ p (%) -12.5-12.4-1.8-11.7-12.8-7.6-11.2-11.7 Sistemi fotovoltaici in conto energia, workshop PVENAS - Torino, 16 Dicembre 29
Conclusioni La valutazione della tolleranza di potenza e del mismatch delle curve I-V sulla base dei flash report ha prodotto valori intorno al percento per campioni di 46 e 12 moduli, rispettivamente. D'altra parte, la valutazione sperimentale ha evidenziato un'incidenza del 3-4% anche tenendo conto dell'incertezza di misura. La discrepanza tra le due valutazioni è da ricercarsi nella mancanza dell'incertezza di misura (conseguente al tipo di sun simulator usato) per i dati dei flash test dei costruttori. Sistemi fotovoltaici in conto energia, workshop PVENAS - Torino, 16 Dicembre 29
Ringraziamenti Questa presentazione si basa sull articolo "Are manufacturing I-V mismatch and reverse currents key factors in large photovoltaic arrays?" F. Spertino and J. Sumaili Akilimali IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRIAL ELECTRONICS, VOL. 56, NO. 11, NOV. 29, pp. 452-4531 realizzato nell'ambito del progetto biennale PVENAS (A procedure based on Experimental testing and meteo-database processing to assess the yearly energy production of grid-connected PhotoVoltaic systems) co- finanziato dal Politecnico di Torino e dalla Regione Piemonte. Sistemi fotovoltaici in conto energia, workshop PVENAS - Torino, 16 Dicembre 29