Samenstelling en werkingsprincipe van fotovoltaïsche energieopwekkingsystemen

Samenstelling en werking van fotovoltaïsche (PV) energieopwekkingsystemen

Een fotovoltaïsch (PV) energieopwekkingsysteem bestaat voornamelijk uit PV-modules, een controller, een inverter, accu's en andere accessoires (accu's zijn niet nodig voor systeem dat is aangesloten op het net). Afhankelijk van of het afhankelijk is van het openbare elektriciteitsnetwerk, worden PV-systemen ingedeeld in off-grid en grid-connected types. Off-grid systemen werken onafhankelijk zonder te vertrouwen op het utility-net. Ze zijn uitgerust met energieopslagaccu's om een stabiele stroomvoorziening van het systeem te waarborgen, waardoor ze elektriciteit kunnen leveren aan belastingen tijdens de nacht of langdurige bewolkte/regenachtige dagen wanneer de zonne-energieproductie ontoereikend is.

Ongeacht het systeemtype blijft de werking hetzelfde: PV-modules zetten zonlicht om in gelijkstroom (DC), die vervolgens wordt omgezet in wisselstroom (AC) door een inverter, waardoor energieverbruik of aansluiting op het net mogelijk wordt.

1. Fotovoltaïsche (PV) Modules

PV-modules zijn het kernonderdeel van het gehele energieopwekkingsysteem. Ze worden gemaakt door individuele fotovoltaïsche cellen te combineren, die in verschillende groottes worden gesneden met behulp van lasers of draadsnijmachines. Aangezien de spanning en stroomuitvoer van een enkele zonnecel erg laag is, worden eerst meerdere cellen in serie verbonden om een hogere spanning te bereiken, en vervolgens parallel om de stroom te verhogen. De montage bevat een blokkeerdiode (om stroomterugloop te voorkomen) en is verpakt in een frame van roestvrij staal, aluminium of niet-metallische materialen. Het wordt aan de voorkant afgesloten met getemperd glas, aan de achterkant met een backsheet, gevuld met stikstofgas en hermetisch afgesloten. Meerdere PV-modules verbonden in serie en parallel vormen een PV-array (ook bekend als een zonnearray).

Werking: Wanneer zonlicht het halfgeleider p-n-junction van een zonnecel raakt, worden elektron-gatparen gegenereerd. Onder invloed van het elektrisch veld bij het p-n-junction bewegen gaten naar de p-regio en elektronen naar de n-regio. Wanneer het circuit gesloten is, stroomt er stroom. De primaire functie van PV-modules is om zonne-energie om te zetten in elektrische energie, die wordt opgeslagen in accu's of rechtstreeks gebruikt om elektrische belastingen te voeden.

Soorten PV-modules:

• Monokristallijn silicium:Efficiëntie ≈ 18%, tot 24% — de hoogste van alle PV-types. Meestal verpakt in getemperd glas en waterdicht hars, waardoor ze duurzaam en langlevend zijn (levensduur tot 25 jaar).

• Polycristallijn silicium:Efficiëntie ≈ 14%. Vergelijkbaar productieproces met monokristallijn, maar met lagere efficiëntie, lagere kosten en kortere levensduur. Het is echter eenvoudiger te produceren, consumeert minder energie en heeft lagere productiekosten, wat leidt tot een wijdverspreide toepassing.

• Amorf silicium (dunne film):Efficiëntie ≈ 10%. Gemaakt met een volledig ander dunne-filmproces, met minimale hoeveelheden silicium en energie. Het belangrijkste voordeel is betere prestaties onder lage lichtcondities.

2. Controller (Gebruikt in Off-Grid Systemen)

De zonnelaadcontroller is een automatisch apparaat dat overladen en overontladen van de accu voorkomt. Uitgerust met een high-speed CPU-microprocessor en een high-precision A/D-converter fungeert het als een microcomputer-gebaseerd data-acquisitie- en monitoring-controlesysteem. Het kan real-time bedrijfsdata snel verzamelen, het systeemstatus monitoren en historische gegevens opslaan, waardoor accurate en voldoende informatie wordt geboden om het systeemontwerp en de betrouwbaarheid van de componenten te evalueren. Het ondersteunt ook seriële communicatie voor centraal beheer en afstandsbediening van meerdere PV-substations.

3. Inverter

Een inverter zet de gelijkstroom (DC) die door zonnepanelen wordt opgewekt om in wisselstroom (AC), waardoor het compatibel is met standaard AC-aangedreven apparatuur. De PV-inverter is een belangrijk balance-of-system (BOS)-onderdeel en bevat speciale kenmerken zoals Maximum Power Point Tracking (MPPT) en islanding protection.

Soorten zonnecompatibele inverters:

• Standalone Inverter:Gebruikt in off-grid systemen. De PV-array laadt de accu, en de inverter trekt gelijkstroom uit de accu om AC-belastingen van stroom te voorzien. Veel standalone inverters hebben ingebouwde acculaders die de accu kunnen opladen met AC-stroom. Deze inverters zijn niet aangesloten op het net en hebben geen islanding protection nodig.

• Grid-Tied Inverter:Voedt AC-stroom terug in het utility-net. De uitvoerwaveform moet overeenkomen met de fase, frequentie en spanning van het net. Het schakelt automatisch uit als het net wordt losgekoppeld voor veiligheidsredenen. Het biedt geen noodvermogen tijdens een netuitval.

• Battery Backup Inverter:Een speciale inverter die accu's gebruikt als primaire energiebron en een lader bevat om deze op te laden. Overmatige energie kan worden teruggewonnen in het net. Tijdens een netuitval kan het AC-stroom leveren aan aangewezen circuits, en dus bevat het islanding protection.

4. Accu (Niet Nodig in Grid-Connected Systemen)

De accu is de energieopslageenheid in een PV-systeem. Algemene typen omvatten gesloten lood-zuur, overlopende lood-zuur, gel en nikkel-cadmium alkaline accu's. Gesloten lood-zuur en gel accu's worden het meest gebruikt.

Werking: Tijdens de dag raakt zonlicht de PV-modules, genereert gelijkspanning en zet licht om in elektriciteit. Deze energie wordt naar de controller gestuurd, die overladen voorkomt, en vervolgens opgeslagen in de accu voor later gebruik wanneer nodig.