Σύνθεση και Λειτουργικό Αρχή Φωτοβολταϊκών Συστημάτων Παραγωγής Ηλεκτρικής Ενέργειας

Σύνθεση και λειτουργία των συστημάτων παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας με φωτοβολταϊκά (PV)

Ένα σύστημα παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας με φωτοβολταϊκά (PV) αποτελείται κυρίως από PV μονάδες, ελεγκτή, αντιστροφέα, μπαταρίες και άλλα αξεσουάρ (οι μπαταρίες δεν είναι απαραίτητες για τα συστήματα που είναι συνδεδεμένα με το δίκτυο). Με βάση το αν εξαρτάται από το δημόσιο δίκτυο ηλεκτρικής ενέργειας, τα συστήματα PV χωρίζονται σε αυτόνομα και συνδεδεμένα. Τα αυτόνομα συστήματα λειτουργούν ανεξάρτητα χωρίς να εξαρτώνται από το δίκτυο. Είναι εξοπλισμένα με μπαταρίες αποθήκευσης ενέργειας για να εξασφαλίζεται η σταθερή παροχή ενέργειας του συστήματος, επιτρέποντας την παροχή ηλεκτρικής ενέργειας στις φορτίες κατά τη νύχτα ή κατά τη διάρκεια μακρών ημερών με νέφα ή βροχή, όπου η παραγωγή ηλιακής ενέργειας είναι ανεπαρκής.

Ανεξάρτητα από τον τύπο του συστήματος, η λειτουργία παραμένει η ίδια: οι PV μονάδες μετατρέπουν την ηλιακή ακτινοβολία σε ηλεκτρική ρευστή (DC), η οποία στη συνέχεια μετατρέπεται σε εναλλασσόμενη ρευστή (AC) από τον αντιστροφέα, επιτρέποντας την κατανάλωση ηλεκτρικής ενέργειας ή τη σύνδεση με το δίκτυο.

1. Φωτοβολταϊκές (PV) μονάδες

Οι PV μονάδες είναι το κύριο στοιχείο του συνόλου του συστήματος παραγωγής. Παράγονται με την ενσωμάτωση μεμονωμένων φωτοβολταϊκών κελιών, τα οποία κόβονται σε διάφορες διαστάσεις με τη χρήση λέιζερ ή σύρματος. Επειδή η ένταση και η ροή του ηλεκτρικού ρεύματος που παράγεται από ένα μοναδικό ηλιακό κελί είναι πολύ χαμηλές, πολλά κελιά συνδέονται πρώτα σε σειρά για την επίτευξη υψηλότερης έντασης, και στη συνέχεια παράλληλα για την αύξηση της ροής. Η συναρμολόγηση περιλαμβάνει έναν διόδο αποκλεισμού (για την πρόληψη της αντίστροφης ροής του ρεύματος) και είναι ενσωματωμένη σε ένα πλαίσιο από ανοξείδωτο χάλυβα, αλουμίνι ή μη μεταλλικά υλικά. Είναι σφραγισμένη με ενισχυμένο γυάλι στην εμπρός πλευρά, με μια πίσω επιφάνεια, γεμίζεται με αζώτο και είναι μητροδοτημένη. Πολλές PV μονάδες που είναι συνδεδεμένες σε σειρά και παράλληλα σχηματίζουν ένα PV πλήθος (επίσης γνωστό ως ηλιακό πλήθος).

Λειτουργία: Όταν η ηλιακή ακτινοβολία πλήττει την περιοχή p-n junction ενός ηλιακού κελιού, παράγονται ζευγάρια ηλεκτρόνιων-τρύπων. Υπό την επιρροή του ηλεκτρικού πεδίου στην περιοχή p-n junction, τα τρύπια μετακινούνται προς την περιοχή p και τα ηλεκτρόνια προς την περιοχή n. Όταν ο κύκλος είναι κλειστός, ρέει ρεύμα. Η κύρια λειτουργία των PV μονάδων είναι η μετατροπή της ηλιακής ενέργειας σε ηλεκτρική ενέργεια, ή την αποθήκευσή της σε μπαταρίες ή την άμεση ενέργεια για την ενέργεια των ηλεκτρικών φορτίων.

Τύποι PV μονάδων:

• Μονοκρυστάλλιος Σίλικι:Απόδοση ≈ 18%, έως 24% - η υψηλότερη από όλους τους τύπους PV. Συνήθως ενσωματώνονται με ενισχυμένο γυάλι και ορεινό υδροσκόνι, κάνοντάς τα διαρκή και μακρόχρονα (διάρκεια ζωής έως 25 χρόνια).

• Πολυκρυστάλλιος Σίλικι:Απόδοση ≈ 14%. Παρόμοια διαδικασία κατασκευής με το μονοκρυστάλλιο, αλλά με χαμηλότερη απόδοση, χαμηλότερο κόστος και μικρότερη διάρκεια ζωής. Ωστόσο, είναι απλούστερο να παράγεται, καταναλώνει λιγότερη ενέργεια και έχει χαμηλότερα κόστη παραγωγής, οδηγώντας σε ευρεία αποδοχή.

• Αμορφούς Σίλικι (Εύφυλλο):Απόδοση ≈ 10%. Κατασκευάζεται με εντελώς διαφορετική διαδικασία εύφυλλων, απαιτώντας ελάχιστη ποσότητα σιλικίου και ενέργεια. Το κύριο πλεονέκτημά του είναι η καλύτερη απόδοση σε συνθήκες χαμηλής φωτεινότητας.

2. Ελεγκτής (Χρησιμοποιείται σε αυτόνομα συστήματα)

Ο ελεγκτής φορτίσεως του ηλιακού είναι ένα αυτόματο συστήματο που προλαμβάνει την υπερφόρτωση και την υπεραπορρόφηση των μπαταριών. Είναι εξοπλισμένος με υψηλόταχο CPU μικροεπεξεργαστή και υψηλής ακρίβειας A/D μετατροπέα, λειτουργώντας ως μικροϋπολογιστικό σύστημα συλλογής και εποπτείας δεδομένων. Μπορεί να συλλέγει γρήγορα πραγματικά δεδομένα λειτουργίας, να εποπτεύει την κατάσταση του συστήματος και να αποθηκεύει ιστορικά δεδομένα, παρέχοντας ακριβή και αρκετά πληροφορίες για την αξιολόγηση της σχεδίασης του συστήματος και της αξιοπιστίας των συστατικών. Επίσης, υποστηρίζει σειριακή επικοινωνία για την κεντρική διαχείριση και την απομακρυσμένη ελεγκτική πολλών PV υποσταθμών.

3. Αντιστροφέας

Ο αντιστροφέας μετατρέπει την ηλεκτρική ρευστή (DC) που παράγεται από τα ηλιακά πάνελ σε εναλλασσόμενη ρευστή (AC), καθιστώντας τη συμβατή με τα πρότυπα ηλεκτρικά προϊόντα. Ο PV αντιστροφέας είναι ένα κύριο στοιχείο balance-of-system (BOS) και περιλαμβάνει ειδικές δυνατότητες όπως το Maximum Power Point Tracking (MPPT) και η προστασία από την απομόνωση.

Τύποι ηλιακών αντιστροφέων:

• Αυτόνομος αντιστροφέας:Χρησιμοποιείται σε αυτόνομα συστήματα. Το PV πλήθος φορτίζει τη μπαταρία, και ο αντιστροφέας παίρνει DC ρεύμα από τη μπαταρία για την εφοδιασμό AC φορτίων. Πολλοί αυτόνομοι αντιστροφέες περιλαμβάνουν ενσωματωμένα φορτητές μπαταριών που μπορούν να φορτίζουν τη μπαταρία με τη χρήση AC ρεύματος. Αυτοί οι αντιστροφέες δεν είναι συνδεδεμένοι με το δίκτυο και δεν απαιτούν προστασία από απομόνωση.

• Συνδεδεμένος με το δίκτυο αντιστροφέας:Επιστρέφει AC ρεύμα στο δημόσιο δίκτυο. Το κύμα εξόδου του πρέπει να ταιριάζει με τη φάση, τη συχνότητα και την ένταση του δικτύου. Λειτουργεί αυτόματα για την απόσυρση αν το δίκτυο αποσυνδέεται για λόγους ασφάλειας. Δεν παρέχει εφοδιασμό ενέργειας κατά τη διάρκεια παύσης του δικτύου.

• Αντιστροφέας με μπαταρία εφοδιασμού:Ένας ειδικός αντιστροφέας που χρησιμοποιεί μπαταρίες ως κύρια πηγή ενέργειας και περιλαμβάνει φορτητή για την επαναφόρτισή τους. Το υπερβαλλόν ρεύμα μπορεί να επιστρέφεται στο δίκτυο. Κατά τη διάρκεια παύσης του δικτύου, μπορεί να παρέχει AC ρεύμα σε συγκεκριμένους κύκλους, και έτσι περιλαμβάνει προστασία από απομόνωση.

4. Μπαταρία (Δεν απαιτείται σε συστήματα που είναι συνδεδεμένα με το δίκτυο)

Η μπαταρία είναι η μονάδα αποθήκευσης ενέργειας σε ένα σύστημα PV. Συνηθισμένοι τύποι περιλαμβάνουν σφραγισμένες μολυβδανικές, ανοιχτές μολυβδανικές, γελ και νικελιο-κάδμιο αλκαλινές μπαταρίες. Οι σφραγισμένες μολυβδανικές και γελ μπαταρίες είναι οι πιο ευρέως χρησιμοποιούμενες.

Λειτουργία: Κατά τη διάρκεια της ημέρας, η ηλιακή ακτινοβολία πλήττει τις PV μονάδες, παράγοντας ηλεκτρική ένταση DC και μετατρέποντας το φως σε ηλεκτρική ενέργεια. Αυτή η ενέργεια στέλνεται στον ελεγκτή, ο οποίος προλαμβάνει την υπερφόρτωση, και στη συνέχεια αποθηκεύεται στη μπαταρία για χρήση όταν απαιτείται.