Състав и принцип на действие на фотоелектрическите системи за производство на електроенергия

Състав и принцип на действие на фотоелектрическите (ФЕ) системи за производство на електроенергия

Фотоелектрическа (ФЕ) система за производство на електроенергия се състои основно от ФЕ модули, контролер, инвертор, батерии и други принадлежности (батерии не са необходими за системи, свързани с мрежата). В зависимост от това дали системата зависи от обществената електроенергийна мрежа, ФЕ системите се разделят на автономни и свързани с мрежата. Автономните системи работят независимо, без да се ползват от обществената електроенергийна мрежа. Те са оборудвани с батерии за съхранение на енергия, за да осигурят стабилно снабдяване с електроенергия, способно да доставя електроенергия към потребителите по време на нощта или продължителни облаци/дъждовни дни, когато производството на енергия от слънцето е недостатъчно.

Независимо от типа на системата, принципът на действие остава един и същ: ФЕ модулите преобразуват слънчевата светлина в постоянен ток (ПТ), който след това се преобразува в променлив ток (ПТ) от инвертор, позволявайки консумация на електроенергия или свързване с мрежата.

1. Фотоелектрически (ФЕ) модули

ФЕ модулите са ключовият компонент на цялата система за производство на електроенергия. Те се изграждат чрез комбиниране на отделни фотоелектрически клетки, които се режат на различни размери с лазер или проволочно рязало. Тъй като напрежението и тока, генериращи се от една-единствена соларна клетка, са много ниски, многобройни клетки първо се свързват последователно, за да се постигне по-високо напрежение, а после успоредно, за да се увеличи токът. Съборката включва диод за блокиране (за предотвратяване на обратния ток) и е инкапсулирана в рамка от неръжеща стомана, алуминий или неметални материали. Предната страна е запечатана с устойчиво на удари стъкло, задната страна е покрита с подложка, напълнена с азотен газ и герметично запечатана. Множество ФЕ модули, свързани последователно и успоредно, формират ФЕ масив (също известен като соларен масив).

Принцип на действие: Когато слънчевата светлина пада върху p-n щепене на полупроводник, се генерират електрон-луно пари. Под влиянието на електричното поле в p-n щепенето, луните се движат към p-областта, а електроните – към n-областта. Когато се затвори контурът, токът протича. Основната функция на ФЕ модулите е да преобразуват слънчевата енергия в електрична, която се съхранява в батерии или се използва директно за снабдяване на електрични потребители.

Видове ФЕ модули:

• Монокристален кремиций: Ефективност ≈ 18%, до 24% – най-висока сред всички видове ФЕ. Обикновено са инкапсулирани с устойчиво на удари стъкло и водонепроницаема смола, което ги прави издръжливи и дълголетни (продължителност на живот до 25 години).

• Поликристален кремиций: Ефективност ≈ 14%. Производственият процес е подобен на този при монокристалния, но с по-ниска ефективност, по-ниска цена и по-кратък срок на издръжливост. Все пак, той е по-прост за производство, използва по-малко енергия и има по-ниски производствени разходи, което води до широка употреба.

• Аморфен кремиций (Тънкопленков): Ефективност ≈ 10%. Изработен чрез напълно различен тънкопленков процес, изискващ минимално количество кремиций и енергия. Неговото основно преимущество е по-добра работа при слаба светлина.

2. Контролер (Използван в автономните системи)

Соларният заряден контролер е автоматично устройство, което предотвратява прекомерно зареждане и разряждане на батерията. Оборудван с високоскоростен CPU микропроцесор и високоточен А/Д преобразувател, той функционира като микрокомпютърна система за събиране и контрол на данни. Може бързо да събира реални оперативни данни, да мониторира състоянието на системата и да съхранява исторически данни, предоставяйки точна и достатъчна информация за оценка на проекта на системата и надеждността на компонентите. Поддържа последователна комуникация за централизирано управление и дистанционно управление на множество ФЕ подстанции.

3. Инвертор

Инверторът преобразува постоянния ток, генериран от соларните панели, в променлив ток, който е съвместим с стандартизирани устройства, работещи на променлив ток. ФЕ инверторът е ключов компонент от BOS (Balance of System) и включва специални функции като следене на максималната мощност (MPPT) и защита от островче.

Видове соларни инвертори:

• Автономен инвертор: Използван в автономните системи. ФЕ масивът зарежда батерията, а инверторът черпи постоянен ток от батерията, за да снабди потребителите с променлив ток. Много автономни инвертори включват вградени зарядни устройства, които могат да заредят батерията с помощта на променлив ток. Тези инвертори не са свързани с мрежата и не изискват защита от островче.

• Инвертор, свързан с мрежата: Връща променлив ток обратно в обществената електроенергийна мрежа. Неговата изходна вълна трябва да съответства на фазата, честотата и напрежението на мрежата. Автоматично спира, ако мрежата е прекъсната, за безопасност. Не предоставя резервен ток по време на прекъсване на мрежата.

• Инвертор с резервна батерия: Специален инвертор, който използва батерии като основен източник на енергия и включва зарядно устройство за повторно зареждане. Превишителната енергия може да се връща обратно в мрежата. По време на прекъсване на мрежата може да снабди променлив ток на определени контури и следователно включва защита от островче.

4. Батерия (Не е необходима в системите, свързани с мрежата)

Батерията е единица за съхранение на енергия в ФЕ системата. Често срещани видове включват герметизирани свинцово-кислородни, непокрити свинцово-кислородни, гел и никел-кадмиеви алкални батерии. Герметизираните свинцово-кислородни и гел батерии са най-широко използвани.

Принцип на действие: През деня слънчевата светлина пада върху ФЕ модулите, генерирайки постоянен ток и преобразувайки светлината в електроенергия. Тази енергия се изпраща към контролера, който предотвратява прекомерно зареждане, и след това се съхранява в батерията за по-късна употреба, когато е необходимо.