ساختار و اصل کار سیستمهای تولید برق فتوولتائیک
ساختار و اصل کار سیستمهای تولید برق فتوولتائیک (PV)
سیستم تولید برق فتوولتائیک (PV) عمدتاً شامل مدولهای PV، کنترلگر، انورتر، باتریها و لوازم جانبی دیگر (باتریها برای سیستمهای متصل به شبکه نیاز نیستند). بر اساس آنکه آیا به شبکه عمومی برق متکی است یا خیر، سیستمهای PV به دو نوع مستقل از شبکه و متصل به شبکه تقسیم میشوند. سیستمهای مستقل از شبکه بدون وابستگی به شبکه برق عمومی عمل میکنند. آنها با باتریهای ذخیرهسازی انرژی تجهیز شدهاند تا تامین برق پایدار را در زمان شب یا دورههای طولانی ابری/بارانی که تولید از طریق خورشید کافی نیست، امکانپذیر کنند.
چه نوع سیستمی باشد، اصل کار همگی یکسان است: مدولهای PV نور خورشید را به الکتریسیته جریان مستقیم (DC) تبدیل میکنند که سپس توسط انورتر به الکتریسیته جریان متناوب (AC) تبدیل میشود، این امر مصرف برق یا اتصال به شبکه را ممکن میسازد.
۱. مدولهای فتوولتائیک (PV)
مدولهای PV قطعه اصلی کل سیستم تولید برق هستند. آنها با ترکیب سلولهای فتوولتائیک جداگانه که با استفاده از ماشینهای لیزری یا سیمبرداری به اندازههای مختلف برش میخورند، ساخته میشوند. چون ولتاژ و جریان خروجی یک سلول خورشیدی بسیار کم است، چندین سلول ابتدا به صورت سری به هم متصل میشوند تا ولتاژ بالاتری به دست آید، سپس به صورت موازی برای افزایش جریان. این مجموعه شامل یک دیود حائل (برای جلوگیری از جریان معکوس) است و در یک قاب از فولاد ضد زنگ، آلومینیوم یا مواد غیرفلزی قرار داده میشود. آن با شیشه مقاوم در برابر ضربه در جلو، یک پشتی در عقب، پر از گاز نیتروژن و مختوم است. چندین مدول PV به صورت سری و موازی به هم متصل میشوند و یک آرایه PV (همچنین به عنوان آرایه خورشیدی نیز شناخته میشود) را تشکیل میدهند.
اصل کار: وقتی نور خورشید به اتصال p-n نیمهرسانا در یک سلول خورشیدی میخورد، جفتهای 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 شود، جریان برق را تشکیل میدهد. وظیفه اصلی مدولهای PV تبدیل انرژی خورشیدی به انرژی الکتریکی است، که میتواند در باتریها ذخیره شود یا مستقیماً بار الکتریکی را تغذیه کند.
نوعهای مدولهای PV:
سیلیکون تکبلوری: کارایی ≈ ۱۸٪، تا ۲۴٪ — بالاترین بین تمامی نوعهای PV. معمولاً با شیشه مقاوم در برابر ضربه و رزین آببندی شدهاند، که آنها را دوامدار و طول عمر بلند (تا ۲۵ سال) میکند.
سیلیکون چندبلوری: کارایی ≈ ۱۴٪. فرآیند تولید مشابه سیلیکون تکبلوری، اما با کارایی کمتر، هزینه کمتر و طول عمر کوتاهتر. با این حال، تولید آن سادهتر، انرژی کمتر مصرف میکند و هزینههای تولید کمتری دارد، که منجر به پذیرش گستردهای شده است.
سیلیکون بیبلور (پوستهای): کارایی ≈ ۱۰٪. با استفاده از فرآیند پوستهای کاملاً متفاوت ساخته میشود که به حداقل سیلیکون و انرژی نیاز دارد. مزیت اصلی آن عملکرد بهتر در شرایط نور کم است.
۲. کنترلگر (در سیستمهای مستقل از شبکه استفاده میشود)
کنترلگر شارژ خورشیدی یک دستگاه خودکار است که از شارژ بیش از حد و تخلیه بیش از حد باتری جلوگیری میکند. مجهز به یک میکروپروسسور CPU با سرعت بالا و یک مبدل A/D با دقت بالا، به عنوان یک سیستم جمعآوری و کنترل دادههای مبتنی بر میکروکامپیوتر عمل میکند. آن میتواند دادههای عملیاتی زنده را به سرعت جمعآوری کند، وضعیت سیستم را نظارت کند و دادههای تاریخی را ذخیره کند، که اطلاعات دقیق و کافی برای ارزیابی طراحی سیستم و قابلیت اطمینان قطعات را ارائه میدهد. همچنین از ارتباط سریال برای مدیریت متمرکز و کنترل دوردست چندین زیرایستای PV پشتیبانی میکند.
۳. انورتر
انورتر الکتریسیته DC تولید شده توسط پانلهای خورشیدی را به الکتریسیته AC تبدیل میکند، که آن را با دستگاههای مصرفکننده الکتریسیته AC استاندارد سازگار میسازد. انورتر PV یک مولفه تعادل سیستم (BOS) کلیدی است و شامل ویژگیهای خاصی مانند ردیابی نقطه توان بیشینه (MPPT) و محافظت از جزیرهسازی است.
نوعهای انورتر خورشیدی:
انورتر مستقل: در سیستمهای مستقل از شبکه استفاده میشود. آرایه PV باتری را شارژ میکند و انورتر الکتریسیته DC را از باتری میگیرد تا بارهای AC را تأمین کند. بسیاری از انورترهای مستقل شامل شارژر باتری داخلی هستند که میتوانند باتری را با استفاده از الکتریسیته AC شارژ کنند. این انورترها به شبکه متصل نیستند و نیازی به محافظت از جزیرهسازی ندارند.
انورتر متصل به شبکه: الکتریسیته AC را به شبکه برق عمومی باز میگرداند. موج خروجی آن باید با فاز، فرکانس و ولتاژ شبکه همخوانی داشته باشد. اگر شبکه قطع شود، به دلایل ایمنی خودکار خاموش میشود. آن در زمان قطعی برق شبکه تامین برق پشتیبان نمیکند.
انورتر با باتری پشتیبان: یک انورتر خاص است که از باتریها به عنوان منبع تغذیه اصلی استفاده میکند و شامل یک شارژر برای شارژ کردن آنها است. انرژی اضافی میتواند به شبکه بازگردانده شود. در زمان قطعی برق شبکه، میتواند الکتریسیته AC را به مدارهای مشخص تأمین کند و بنابراین شامل محافظت از جزیرهسازی است.
۴. باتری (در سیستمهای متصل به شبکه لازم نیست)
باتری واحد ذخیرهسازی انرژی در یک سیستم PV است. انواع رایج شامل باتریهای سرب ختمشده، سرب باز، ژل و نیکل-کادمیم القایی است. باتریهای سرب ختمشده و ژل بیشترین استفاده را دارند.
اصل کار: در طول روز، نور خورشید به مدولهای PV برخورد میکند، ولتاژ DC تولید میکند و نور را به برق تبدیل میکند. این انرژی به کنترلگر ارسال میشود که از شارژ بیش از حد جلوگیری میکند و سپس در باتری ذخیره میشود تا زمانی که نیاز است استفاده شود.
