Auringonenergian tuotantojärjestelmien rakenne ja toimintaperiaate

Avoimien aurinkopaneelijärjestelmien (PV) koostuminen ja toimintaperiaate

Avoimen aurinkopaneelijärjestelmän (PV) pääkomponentit ovat PV-moduulit, ohjauslaitteisto, inverteri, akut ja muut lisävarusteet (akut eivät ole välttämättömiä verkkoyhdistettyihin järjestelmiin). PV-järjestelmät jaetaan verkon ulkopuolella toimiviin ja verkkoyhdistettyihin järjestelmiin sen perusteella, riippuvatko ne yleisestä sähköverkosta. Verkon ulkopuolella toimivat järjestelmät toimivat itsenäisesti ilman yleisen sähköverkon tukea. Ne on varustettu energian varastointiin tarkoitetuilla akkuilla, jotka varmistavat järjestelmän vakavan toiminnan, tarjoten sähkötaipaleille sähköä yöllä tai pitkiä pilvistä/sateisia päiviä, kun aurinkosähköntuotanto on riittämätöntä.

Riippumatta järjestelmän tyypistä, toimintaperiaate pysyy samana: PV-moduulit muuntavat auringonvaloa suoraan virtaa (DC) sähköksi, joka sitten muutetaan vaihtovirtaksi (AC) inverterillä, mikä mahdollistaa sähkön käytön tai verkkoyhdistämisen.

1. PV-moduulit

PV-moduulit ovat koko tuotantojärjestelmän keskeinen komponentti. Ne valmistetaan yhdistämällä yksittäisiä aurinkopaneeleja, jotka leikataan eri kokoisiin osiin laserilla tai langalleikkurilla. Koska yhden aurinkopaneelin tuottama jännite ja virran määrä on hyvin pieni, useita paneleita yhdistetään ensin sarjassa saavuttaakseen korkeamman jännitteen, sitten rinnankeskusten yli lisäämään virtaa. Kokoonpanoon sisältyy estolohko (estää käänteisen virran), ja se on upotettu teräs-, alumiini- tai metallivapaiden materiaalien kehykseen. Se on tiivistetty läpinäkyvästä lasista edessä, takupuolta kattavaa takulevyä, täytetty typpikaasulla ja hermetisesti suljettu. Useat PV-moduulit, jotka on yhdistetty sarjassa ja rinnankeskusten yli, muodostavat PV-tahdin (tunnetaan myös nimellä aurinkotahdin).

Toimintaperiaate: Kun auringonvalo osuu aurinkopaneelin puoli johtajan p-n liitoskohtaan, syntyy elektron-hauraisparit. P-n liitoskohtaan olevan sähkökentän vaikutuksesta hauraiset siirtyvät p-alueelle ja elektronit n-alueelle. Kun piiri on suljettu, virta kulkee. PV-moduulien pääfunktio on muuntaa aurinkoenergiaa sähköenergiaksi, joko tallentamalla sitä akkuissa tai suoraan voimauttamalla sähkötaipaleita.

PV-moduulityypit:

• Yksikrystalinne silikki: Tehokkuus ≈ 18%, enintään 24% — kaikista PV-tyypeistä korkein. Yleensä upotettu läpinäkyvässä lasissa ja vedettömässä resiinassa, mikä tekee niistä kestäviä ja pitkäikäisiä (kestovoima jopa 25 vuotta).

• Monikrystalinne silikki: Tehokkuus ≈ 14%. Valmistusprosessi on samankaltainen kuin yksikrystalisessa, mutta tehokkuus on alempi, hinta alhaisempi ja elinkaari lyhyempi. Se on kuitenkin yksinkertaisempi tuottaa, kuluttaa vähemmän energiaa ja tuotantokustannukset ovat alhaisemmat, mikä johtaa laajalle leviämiseen.

• Amorfinen silikki (Pieni levy): Tehokkuus ≈ 10%. Tehty kokonaan erilaisella pienilevyprosessilla, jossa tarvitaan vähän silikkiä ja energiaa. Sen pääetuna on parempi suorituskyky heikossa valossa.

2. Ohjauslaitteisto (Käytetään verkon ulkopuolisissa järjestelmissä)

Aurinkopaneelin latausohjauslaitteisto on automaattinen laite, joka estää akun ylikuormituksen ja -alikuormituksen. Sitä varustetaan nopealla CPU-mikroprosessorilla ja tarkalla A/D-muuntimella, ja se toimii mikrotietokonepohjaisena tiedonkeruuta ja valvontajärjestelmänä. Se voi nopeasti kerätä reaaliaikaisia toimintatietoja, valvoa järjestelmän tilaa ja tallentaa historiallisia tietoja, tarjoten tarkkaa ja riittävää tietoa arvioidakseen järjestelmän suunnittelua ja komponenttien luotettavuutta. Se tukee myös sarjaliikennettä monien PV-alajärjestelmien keskitetyn hallinnoinnin ja etähallinnon tueksi.

3. Inverteri

Inverteri muuntaa aurinkopaneelien tuottaman suoran virtan vaihtovirtaksi, mikä tekee siitä yhteensopivan standardin vaihtovirtaympäristön kanssa. PV-inverteri on keskeinen tasapaino-osakomponentti (BOS) ja sisältää erityisiä ominaisuuksia, kuten maksimienergian pisteseuraus (MPPT) ja saariston suojaus.

Aurinkoinverterityypit:

• Standalone-inverteri: Käytetään verkon ulkopuolisissa järjestelmissä. PV-tahde lataa akun, ja inverteri ottaa DC-virran akusta AC-taipaleiden tarjoamiseksi. Monet standalone-inverterit sisältävät sisäisiä akunlatauslaitteistoja, jotka voivat ladata akun AC-virtalla. Nämä inverterit eivät ole yhdistetty verkkoon eivätkä vaadi saaristonsuojaa.

• Verkkoyhdistetty inverteri: Palauttaa AC-virran yleiseen sähköverkkoon. Sen tuotannon aallomuodon on vastattava verkon vaiheen, taajuuden ja jännitteen. Se sulkeutuu automaattisesti, jos verkkoyhteys katkeaa turvallisuussyistä. Se ei tarjoa varauksellista sähköä verkon sammuessa.

• Akun varmuusinverteri: Erityinen inverteri, joka käyttää akkuja ensisijaisena energialähteenä ja sisältää latauslaitteiston niiden uudelleenlataamiseksi. Ylituotanto voidaan palauttaa verkkoon. Verkon sammuessa se voi tarjota AC-virtaa määrättyihin piireihin, ja siksi se sisältää saariston suojausta.

4. Akku (Ei tarvita verkkoyhdistetyissä järjestelmissä)

Akku on PV-järjestelmän energian varastointiyksikkö. Yleisiä tyyppejä ovat tiivistelemät lyijy-acid, huurrettu lyijy-acid, gel ja nikkelikadmium-kalvonakymäiset akut. Tiivistelemät lyijy-acid- ja gel-akut ovat yleisimmin käytettyjä.

Toimintaperiaate: Päivällä auringonvalo osuu PV-moduuleihin, tuottaa DC-jännitettä ja muuttaa valoa sähköksi. Tämä energia lähetetään ohjauslaitteistolle, joka estää ylikuormituksen, ja sitten se tallennetaan akkuun myöhemmäksi käyttöön.