Sestava in delovanje sistemov fotovoltaične energije

Sestava in delovanje fotovoltaičnih (PV) sistemov za proizvodnjo električne energije

Fotovoltaični (PV) sistem za proizvodnjo električne energije je predvsem sestavljen iz PV modulov, nadzornika, inverterja, baterij in drugih pripomočkov (baterije niso potrebne za sisteme, povezane z omrežjem). Glede na odvisnost od javnega električnega omrežja so PV sistemi razdeljeni na neomrežne in omrežne tipe. Neomrežni sistemi delujejo samostojno, ne da bi se opirali javnemu električnemu omrežju. Opričujo se z energijskimi shrambnimi baterijami, da zagotovijo stabilno oskrbo s strmo, in lahko zagotavljajo strmo za optožbe v nočnem času ali med dolgotrajnimi oblačnimi/dežavnimi dnevi, ko je proizvodnja s Sonca nedostatna.

Ne glede na tip sistema ostane načelo delovanja enak: PV moduli pretvarjajo Sončno svetlobo v enosmerne tok (DC), ki ga nato inverter pretvori v strosmeren tok (AC), kar omogoča porabo strme ali povezavo z omrežjem.

1. Fotovoltaični (PV) moduli

PV moduli so ključni komponenti celotnega sistema za proizvodnjo električne energije. Naredijo jih tako, da združijo posamezne fotovoltaične celice, ki so rezane na različne velikosti z uporabo laserskih ali žičnih strojev. Ker je napetost in tok, ki ga ena samostojna Sončna celica generira, zelo nizka, se najprej več celic zaporedno poveže, da se doseže višja napetost, nato pa vzporedno, da se poveča tok. Sestava vključuje blokirno diodo (za preprečevanje obratnega toka) in je zaprta v okvir, narejen iz nerokavega jekla, aluminija ali nemetalnih materialov. Na fronti je zapečena z temperiranim steklom, na zadnji strani ima pokrov, polnjen z dušikovim plinom in hermetično zaprt. Več PV modulov, povezanih zaporedno in vzporedno, tvorijo PV polje (tudi znano kot Sončno polje).

Načelo delovanja: Ko Sončno svetlo pride v stik z polprevodničnim p-n prehodom Sončne celice, se ustvarijo parovi elektron-lopata. Pod vplivom električnega polja na p-n prehodu se lopate premikajo proti p-regiju, elektroni pa proti n-regiju. Ko je krog zaprt, teče tok. Primarna funkcija PV modulov je pretvorba Sončne energije v električno energijo, ki jo lahko shranimo v baterije ali neposredno porabimo za električne optožbe.

Vrste PV modulov:

• Monokristalni silicij:Učinkovitost ≈ 18%, do 24% — najvišja med vsemi vrstami PV. Običajno zapeti z temperiranim steklom in vodootpeljavno smoljo, kar jih naredi trdne in dolgotrajne (življenjska doba do 25 let).

• Polikristalni silicij:Učinkovitost ≈ 14%. Podoben postopek proizvodnje kot pri monokristalnem, a z nižjo učinkovitostjo, nižjo ceno in kraješnjo življenjsko dobo. Vendar je lažje proizvesti, porabi manj energije in ima nižje stroške proizvodnje, kar vodi do široke uporabe.

• Amorfni silicij (tankoploščni):Učinkovitost ≈ 10%. Izdelan z popolnoma drugačnim tankoploščnim postopkom, ki zahteva minimalno količino silicija in energije. Njegov glavni prednost je boljše delovanje pri nizkem svetlobnem stanju.

2. Nadzornik (Uporablja se v neomrežnih sistemih)

Nadzornik za nabiranje Sončne energije je avtomatski naprava, ki preprečuje prenabiranje in prenizko nabiranje baterij. Opričen je z visoko hitrostjo CPU mikroprocesorja in visoko natančnim A/D pretvornikom, deluje kot mikra računalniški sistem za zajemanje in nadzor podatkov. Lahko hitro zbere realne podatke o delovanju, spremlja stanje sistema in shranjuje zgodovinske podatke, kar zagotavlja natančne in zadostne informacije za oceno dizajna sistema in zanesljivosti komponent. Podpira serijsko komunikacijo za centralno upravljanje in oddaljeno nadzor več PV podstanic.

3. Inverter

Inverter pretvori enosmerno strmo, ki jo generirajo Sončne panele, v strosmerno strmo, ki je združljiva z standardnimi strosmernimi električnimi napravami. PV inverter je ključna komponenta ravnovesja sistema (BOS) in vključuje posebne funkcije, kot sta sledenje maksimalni točki moči (MPPT) in zaščita pred otokom.

Vrste Sončnih inverterjev:

• Samostojni inverter:Uporablja se v neomrežnih sistemih. PV polje nabira baterije, inverter pa izvleče enosmerno strmo iz baterij, da bi oskrboval strosmerna optožba. Mnogi samostojni inverterji vključujejo vgrajene nabiralnike baterij, ki jih lahko nabirajo z uporabo strosmere strme. Ti inverterji niso povezani z omrežjem in ne zahtevajo zaščite pred otokom.

• Omrežni inverter:Poroča strosmerno strmo nazaj v javno električno omrežje. Njegov izhodni val mora biti usklajen z fazo, frekvenco in napetostjo omrežja. Samodejno se izklopi, če je omrežje odstranjeno zaradi varnosti. Ne zagotavlja rezervne strme med odrezom omrežja.

• Rezervni inverter z baterijami:Poseben inverter, ki uporablja baterije kot primarno vir strme in vključuje nabiralnik, da jih ponovno nabere. Presežna strmo se lahko vrača v omrežje. Med odrezom omrežja lahko oskrbuje strosmerno strmo označenim krogom in tako vključuje zaščito pred otokom.

4. Baterija (Ni potrebna v omrežnih sistemih)

Baterija je enota za shranjevanje energije v PV sistemu. Pogoste vrste vključujejo zaprte olovine, poplavljene olovine, gel in nikel-kadmij alkalne baterije. Zaprte olovine in gel baterije so najbolj široko uporabljene.

Načelo delovanja: V danu Sončno svetlo prileti na PV module, generira enosmerno napetost in pretvarja svetlobo v strmo. Ta strmo se pošlje na nadzornik, ki preprečuje prenabiranje, nato pa se shranjuje v baterijo za kasnejšo uporabo, kadar je potrebno.