Skład i zasada działania systemów fotowoltaicznych
Skład i zasada działania systemów fotowoltaicznych (PV)
Systemy fotowoltaiczne (PV) składają się głównie z modułów PV, kontrolera, inwertera, baterii i innych akcesoriów (baterie nie są wymagane w systemach podłączonych do sieci). W zależności od tego, czy system opiera się na publicznej sieci energetycznej, systemy PV dzielą się na systemy izolowane i podłączone do sieci. Systemy izolowane działają niezależnie, bez opierania się na sieci energetycznej. Są wyposażone w baterie przechowujące energię, aby zapewnić stabilne zaopatrzenie systemu w energię, co pozwala dostarczać prąd do obciążeń w nocy lub podczas długotrwałych chmurzastych/deszczywnych dni, gdy generacja słoneczna jest niewystarczająca.
Bez względu na typ systemu, zasada działania pozostaje taka sama: moduły PV przekształcają światło słoneczne w prąd stały (DC), który następnie jest przekształcany przez inwerter w prąd przemienny (AC), umożliwiając zużycie energii lub podłączenie do sieci.
1. Moduły fotowoltaiczne (PV)
Moduły PV to kluczowy element całego systemu generacji energii. Powstają poprzez połączenie pojedynczych komórek fotowoltaicznych, które są cięte na różne rozmiary za pomocą laserów lub maszyn do cięcia drutem. Ponieważ napięcie i prąd wyjściowy jednej komórki słonecznej są bardzo niskie, wiele komórek jest najpierw łączone szeregowo, aby osiągnąć wyższe napięcie, a następnie równolegle, aby zwiększyć prąd. Zestaw zawiera diodę blokującą (aby zapobiec przepływowi prądu wstecznego) i jest umieszczony w ramie wykonanej ze stali nierdzewnej, aluminium lub materiałów niemetalicznych. Jest zamknięty przednią szybą hartowaną, tylną warstwą, wypełniony gazem azotowym i hermetycznie zamknięty. Wiele modułów PV połączonych szeregowo i równolegle tworzy tablicę PV (także nazywaną tablicą słoneczną).
Zasada działania: Gdy światło słoneczne uderza w półprzewodnikowe połączenie p-n komórki słonecznej, powstają pary elektron-dziura. Pod wpływem pola elektrycznego w połączeniu p-n, dziury przemieszczają się w kierunku obszaru p, a elektrony w kierunku obszaru n. Kiedy obwód jest zamknięty, płynie prąd. Główną funkcją modułów PV jest przekształcanie energii słonecznej w energię elektryczną, która może być przechowywana w bateriach lub bezpośrednio zasilając obciążenia elektryczne.
Typy modułów PV:
Krystaliczny krzem jednokrystaliczny: Wydajność ≈ 18%, maks. 24% — najwyższa spośród wszystkich typów PV. Zazwyczaj zakryty szkłem hartowanym i wodoodporną żywicą, co czyni go trwały i długowieczny (lifespan up to 25 years).
Krystaliczny krzem wielokrystaliczny: Wydajność ≈ 14%. Proces produkcji podobny do jednokrystalicznego, ale z niższą wydajnością, niższymi kosztami i krótszym okresem użytkowania. Jednakże jest prostszy w produkcji, zużywa mniej energii i ma niższe koszty produkcji, co prowadzi do szerokiego zastosowania.
Krzem amorfi (Cienkopłytowy): Wydajność ≈ 10%. Wytwarzany przy użyciu zupełnie innego procesu cienkopłytowego, wymaga minimalnej ilości krzemu i energii. Jego główną zaletą jest lepsza wydajność w warunkach słabego oświetlenia.
2. Kontroler (Używany w systemach izolowanych)
Kontroler ładowania słonecznego to urządzenie automatyczne, które zapobiega przeladowaniu i przeładowaniu baterii. Wyposażony w wysokoszybkiego mikroprocesora CPU i precyzyjny konwerter A/D, działa jako mikrokomputerowy system zbierania danych i monitorowania. Może szybko gromadzić aktualne dane operacyjne, monitorować stan systemu i przechowywać dane historyczne, dostarczając dokładne i wystarczające informacje do oceny projektu systemu i niezawodności jego komponentów. Obsługuje również komunikację szeregową do centralnego zarządzania i zdalnej kontroli wielu podstacji PV.
3. Inwerter
Inwerter przekształca prąd stały (DC) generowany przez panele słoneczne w prąd przemienny (AC), dzięki czemu jest kompatybilny ze standardowymi urządzeniami zasilanymi prądem AC. Inwerter PV to kluczowy element systemu BOS (Balance of System) i obejmuje specjalne funkcje, takie jak śledzenie maksymalnego punktu mocy (MPPT) i ochronę przed odizolowaniem.
Typy inwerterów słonecznych:
Stacjonarny inwerter: Używany w systemach izolowanych. Tablica PV ładuje baterię, a inwerter pobiera prąd stały z baterii, aby zasilić obciążenia prądem przemiennym. Wielu stacjonarnych inwerterów posiada wbudowane ładowarki baterii, które mogą ponownie naładować baterię za pomocą prądu AC. Te inwertery nie są podłączone do sieci i nie wymagają ochrony przed odizolowaniem.
Inwerter podłączony do sieci: Wpompowuje prąd przemienny z powrotem do sieci energetycznej. Jego fala wyjściowa musi odpowiadać fazie, częstotliwości i napięciu sieci. Automatycznie wyłącza się, jeśli sieć jest odłączona ze względów bezpieczeństwa. Nie zapewnia zasilania awaryjnego w przypadku awarii sieci.
Inwerter z zapasem baterii: Specjalny inwerter, który używa baterii jako głównego źródła zasilania i obejmuje ładowarkę do ich ponownego naładowania. Nadmiar energii może być wpompowany z powrotem do sieci. W przypadku awarii sieci może dostarczać prąd przemienny do wybranych obwodów, a więc obejmuje ochronę przed odizolowaniem.
4. Bateria (Nie wymagana w systemach podłączonych do sieci)
Bateria to jednostka magazynująca energię w systemie PV. Wspólnie używane typy to hermetyczne akumulatory ołowiane, otwarte akumulatory ołowiane, żelowe i alkaline niklu-kadmowe. Najczęściej używane są hermetyczne akumulatory ołowiane i żelowe.
Zasada działania: W ciągu dnia światło słoneczne uderza w moduły PV, generując napięcie DC i przekształcając światło w energię elektryczną. Ta energia jest wysyłana do kontrolera, który zapobiega przeladowaniu, a następnie jest przechowywana w baterii do późniejszego użycia, gdy jest potrzebna.
