ساختار و اصل کار سیستم های تولید برق فتوولتائیک

سیستم‌های تولید برق فتوولتائیک (PV) و اصول کاری آنها

سیستم تولید برق فتوولتائیک (PV) عمدتاً شامل مدول‌های PV، کنترلر، انورتر، باتری‌ها و دستگاه‌های جانبی دیگر (باتری‌ها در سیستم‌های متصل به شبکه الزامی نیستند). بر اساس وابستگی به شبکه عمومی برق، سیستم‌های PV به دو نوع جدا از شبکه و متصل به شبکه تقسیم می‌شوند. سیستم‌های جدا از شبکه مستقل عمل می‌کنند و بدون وابستگی به شبکه عمومی عمل می‌کنند. آنها با باتری‌های ذخیره‌سازی انرژی مجهز شده‌اند تا تامین منظم برق را تضمین کنند و قادر به تأمین برق به بارها در طول شب یا دوره‌های طولانی ابری/بارانی هنگامی که تولید خورشیدی کافی نیست.

صرف نظر از نوع سیستم، اصول کاری یکسان است: مدول‌های PV نور خورشید را به جریان مستقیم (DC) تبدیل می‌کنند که سپس توسط انورتر به جریان متناوب (AC) تبدیل می‌شود و این امکان را می‌دهد که انرژی مصرف یا متصل به شبکه شود.

1. مدول‌های فتوولتائیک (PV)

مدول‌های PV قطعه اصلی سیستم تولید برق هستند. آنها با ترکیب سلول‌های فتوولتائیک جداگانه ساخته می‌شوند که با استفاده از ماشین‌های لیزری یا سیم‌برداری به اندازه‌های مختلف برش داده می‌شوند. چون ولتاژ و جریان خروجی یک سلول خورشیدی بسیار پایین است، چندین سلول ابتدا به صورت سری به هم متصل می‌شوند تا ولتاژ بالاتری به دست آید و سپس به صورت موازی به هم متصل می‌شوند تا جریان افزایش یابد. مجموعه شامل دیود ضد جریان (برای جلوگیری از جریان معکوس) است و در چارچوبی از فولاد نrostainless، آلومینیوم یا مواد غیرفلزی قرار گرفته و با شیشه مقاوم در برابر ضربه در جلو، یک پشتی در عقب، با گاز نیتروژن پر شده و ختم شده است. چندین مدول PV متصل به صورت سری و موازی یک آرایه PV (همچنین به عنوان آرایه خورشیدی شناخته می‌شود) را تشکیل می‌دهند.

اصول کاری: هنگامی که نور خورشید به اتصال p-n نیمه‌رسانا در یک سلول خورشیدی برخورد می‌کند، زوج‌های الکترون-حفره ایجاد می‌شوند. تحت تأثیر میدان الکتریکی در اتصال p-n، حفره‌ها به سمت منطقه p و الکترون‌ها به سمت منطقه n حرکت می‌کنند. وقتی مدار بسته می‌شود، جریان ایجاد می‌شود. وظیفه اصلی مدول‌های PV تبدیل انرژی خورشیدی به انرژی الکتریکی است، یا ذخیره آن در باتری‌ها یا تغذیه مستقیم بارهای الکتریکی.

نوع‌های مدول‌های PV:

• سیلیکون تک‌بلوری: کارایی ≈ 18٪، تا 24٪ — بالاترین کارایی در میان تمام انواع PV. معمولاً با شیشه مقاوم در برابر ضربه و رزین مقاوم در برابر آب پوشش داده می‌شوند، که آنها را مقاوم و طول عمر بلند (تا 25 سال) می‌کند.

• سیلیکون چندبلوری: کارایی ≈ 14٪. فرآیند تولید مشابه سیلیکون تک‌بلوری، اما با کارایی پایین‌تر، هزینه کمتر و طول عمر کوتاه‌تر. با این حال، تولید آن ساده‌تر است، انرژی کمتری مصرف می‌کند و هزینه‌های تولید کمتری دارد، که منجر به پذیرش گسترده‌ای شده است.

• سیلیکون بی‌ساختار (لایه‌ای): کارایی ≈ 10٪. با استفاده از فرآیند لایه‌ای کاملاً متفاوت ساخته می‌شود و نیاز به سیلیکون و انرژی کمتری دارد. مزیت اصلی آن عملکرد بهتر در شرایط نور کم است.

2. کنترلر (در سیستم‌های جدا از شبکه استفاده می‌شود)

کنترلر شارژ خورشیدی یک دستگاه خودکار است که از شارژ بیش از حد و رها شدن بیش از حد باتری جلوگیری می‌کند. با داشتن پردازنده CPU با سرعت بالا و تبدیل‌کننده A/D با دقت بالا، به عنوان یک سیستم جمع‌آوری و کنترل نظارت مبتنی بر رایانه کوچک عمل می‌کند. آن می‌تواند داده‌های عملیاتی زنده را به سرعت جمع‌آوری کند، وضعیت سیستم را نظارت کند و داده‌های تاریخی را ذخیره کند، اطلاعات دقیق و کافی برای ارزیابی طراحی سیستم و قابلیت اطمینان قطعات ارائه می‌دهد. همچنین ارتباط سریال را برای مدیریت متمرکز و کنترل دوردست چندین زیرمرکز PV پشتیبانی می‌کند.

3. انورتر

انورتر جریان مستقیم (DC) تولید شده توسط پنل‌های خورشیدی را به جریان متناوب (AC) تبدیل می‌کند، که آن را با دستگاه‌های AC استاندارد سازگار می‌کند. انورتر PV یک قطعه اصلی تعادل سیستم (BOS) است و ویژگی‌های خاصی مانند ردیابی نقطه قدرت ماکزیمم (MPPT) و محافظت از جزیره‌سازی را شامل می‌شود.

نوع‌های انورتر خورشیدی:

• انورتر مستقل: در سیستم‌های جدا از شبکه استفاده می‌شود. آرایه PV باتری را شارژ می‌کند و انورتر جریان DC را از باتری می‌گیرد تا بارهای AC را تغذیه کند. بسیاری از انورترهای مستقل شامل شارژر باتری داخلی هستند که می‌توانند باتری را با استفاده از برق AC شارژ کنند. این انورترها به شبکه متصل نیستند و نیازی به محافظت از جزیره‌سازی ندارند.

• انورتر متصل به شبکه: برق AC را به شبکه عمومی بازمی‌گرداند. موج خروجی آن باید با فاز، فرکانس و ولتاژ شبکه مطابقت داشته باشد. اگر شبکه قطع شود به خاطر ایمنی خودکار خاموش می‌شود. این انورترها در مواقع قطعی شبکه برق پشتیبانی نمی‌کنند.

• انورتر با باتری پشتیبان: یک انورتر ویژه که از باتری‌ها به عنوان منبع اصلی برق استفاده می‌کند و شامل شارژری برای شارژ آنها است. برق اضافی می‌تواند به شبکه بازمی‌گردانده شود. در مواقع قطعی شبکه، می‌تواند برق AC را به مدارهای مشخص تأمین کند و بنابراین شامل محافظت از جزیره‌سازی است.

4. باتری (در سیستم‌های متصل به شبکه الزامی نیست)

باتری واحد ذخیره‌سازی انرژی در یک سیستم PV است. انواع رایج شامل باتری‌های سرب ختم‌شده، سرب با سیال، جل و نیکل-کادمیم القاعده‌ای است. باتری‌های سرب ختم‌شده و جل بیشترین استفاده را دارند.

اصول کاری: در طول روز، نور خورشید به مدول‌های PV برخورد می‌کند، ولتاژ DC ایجاد می‌کند و نور را به برق تبدیل می‌کند. این انرژی به کنترلر ارسال می‌شود که از شارژ بیش از حد جلوگیری می‌کند و سپس در باتری ذخیره می‌شود تا در زمان نیاز استفاده شود.