Sastav i načelo rada fotovoltaičnih sustava za proizvodnju električne energije

Sastav i načelo rada fotonaponskih (PV) sustava za proizvodnju struje

Fotonaponski (PV) sustav za proizvodnju struje uglavnom se sastoji od PV modula, kontrolera, invertera, baterija i drugih pribora (baterije nisu potrebne za sustave povezane s mrežom). Prema tome, jesu li ovisni o javnoj električnoj mreži, PV sustavi su podijeljeni u nezavisne i mrežno povezane vrste. Nezavisni sustavi funkcioniraju samostalno, bez ovisnosti o javnoj mreži. Opihu se sa zalihačkim baterijama kako bi osigurali stabilnu opskrb sustava strujom, sposobne da pruže struju opterećenju tijekom noći ili dugog oblačnog/kišnog vremena kada je solarna proizvodnja nedovoljna.

Bez obzira na vrstu sustava, načelo rada ostaje isto: PV moduli pretvaraju sunčevu svjetlost u jednosmjernu struju (DC), koja se zatim pretvara u izmjeničnu struju (AC) putem invertera, omogućujući potrošnju struje ili povezivanje s mrežom.

1. Fotonaponski (PV) moduli

PV moduli su ključni dio cijelog sustava za proizvodnju struje. Proizvedeni su kombiniranjem pojedinačnih fotonaponskih celija, koje se rezaju na različite veličine pomoću laserske ili žičane mašine. Budući da je napona i struja generiranih jednom solarne celijom vrlo nizi, više celija najprije se spajaju nizosno kako bi se postigao veći napon, a zatim paralelno kako bi se povećala struja. Montaža uključuje blokirajući diod (za sprečavanje obrnutog toka struje) i zapakirana je unutar okvira od nerđajućeg čelika, aluminija ili nemetalnih materijala. Spremnik je zatvoren temperiranim staklom na prednjem dijelu, folijom na zadnjem dijelu, ispunjen plinom dušikom i hermetski zapakiran. Više PV modula povezanih nizosno i paralelno formiraju PV polje (poznato i kao sunčano polje).

Načelo rada: Kada sunčeva svjetlost udari u poluprovodničku p-n spojnica solarnog elementa, generiraju se para elektron-rupa. Pod utjecajem električnog polja na p-n spojnice, rupe se kreću prema p-regiji, a elektroni prema n-regiji. Kada se krug zatvori, teče struja. Primarni zadatak PV modula je pretvoriti sunčanu energiju u električnu energiju, buďu spremljujući je u baterije ili direktno snabdevajući električna opterećenja.

Vrste PV modula:

• Monokristalni silicij: Učinkovitost ≈ 18%, do 24% - najviša među svim tipovima PV. Obično zapakirani temperiranim staklom i vodootpornim smolestom, što ih čini trajnim i dugovečnim (vijek trajanja do 25 godina).

• Polikristalni silicij: Učinkovitost ≈ 14%. Sličan proces proizvodnje kao kod monokristalnog, ali s nižom učinkovitosti, nižom cijenom i kraćim vijekom trajanja. Međutim, proizvodnja je jednostavnija, troši manje energije i ima niže troškove proizvodnje, što dovodi do širokoj primjeni.

• Amorfnog silicija (tanak sloj): Učinkovitost ≈ 10%. Izrađen putem potpuno drugačijeg procesa tanakog sloja, zahtijeva minimalnu količinu silicija i energije. Njegov glavni prednost je bolji performansi u uvjetima slabe svjetlosti.

2. Kontroler (koristi se u nezavisnim sustavima)

Solarni kontroler napuna baterija je automatski uređaj koji sprječava preopterećenje i preiskoristu baterija. Oprijeko je CPU mikroprocesorom visoke brzine i visoko preciznim A/D pretvaračem, funkcioniše kao mikrokompjuterski sustav za prikupljanje i nadzorno upravljanje podacima. Može brzo prikupiti operativne podatke u stvarnom vremenu, pratiti stanje sustava i pohraniti povijesne podatke, pružajući točne i dovoljne informacije za procjenu dizajna sustava i pouzdanosti komponenti. Također podržava serijsku komunikaciju za centralizirano upravljanje i daljinsko upravljanje više PV podstanica.

3. Inverter

Inverter pretvara jednosmjernu struju (DC) generiranu solarnim panelima u izmjeničnu struju (AC), čime se čini kompatibilnom s standardnim AC priborom. PV inverter je ključni BOS (balance of system) komponenta i uključuje posebne značajke poput praćenja maksimalne točke snage (MPPT) i zaštite od otoka.

Vrste solarnih invertera:

• Standalone inverter: Koristi se u nezavisnim sustavima. PV polje puni bateriju, a inverter koristi DC struju iz baterije kako bi snabdivao AC opterećenja. Mnogi standalone inverteri uključuju ugrađene punjače baterija koji mogu ponovno puniti bateriju pomoću AC struje. Ovi inverteri nisu povezani s mrežom i ne zahtijevaju zaštitu od otoka.

• Mrežno povezan inverter: Vraća AC struju natrag u javnu mrežu. Njegov izlazni val mora odgovarati fazama, frekvenciji i naponu mreže. Automatski se isključuje ako je mreža odvojena radi sigurnosti. Ne pruža rezervnu struju tijekom pada mreže.

• Inverter s baterijskom rezervom: Poseban inverter koji koristi baterije kao primarni izvor struje i uključuje punjač za njihovo punjenje. Pretjerana struja može se vraćati natrag u mrežu. Tijekom pada mreže, može snabdivati AC strujom određene krugove, te uključuje zaštitu od otoka.

4. Baterija (nije potrebna u mrežno povezanim sustavima)

Baterija je jedinica za pohranu energije u PV sustavu. Zajedničke vrste uključuju zapakirane olovne kiseline, otvorene olovne kiseline, gel i nikl-kadmijevske alkalne baterije. Zapakirane olovne kiseline i gel baterije su najšire upotrebljene.

Načelo rada: Tijekom dana, sunčeva svjetlost udara u PV module, generirajući DC napon i pretvarajući svjetlost u struju. Ova struja šalje se kontroleru, koji sprječava preopterećenje, a zatim se pohranjuje u bateriju za kasniju upotrebu kad je potrebno.