Sammansättning och arbetsprincip för solcellsbaserade elsystem

Sammansättning och fungeringsprincip för fotovoltaiska (PV) energisystem

Ett fotovoltaiskt (PV) energisystem består huvudsakligen av PV-moduler, en regulator, en omvandlare, batterier och andra tillbehör (batterier behövs inte för nätanslutna system). Baserat på om det är beroende av det offentliga elnätet, delas PV-system in i nätfristående och nätanslutna typer. Nätfristående system fungerar oberoende av det allmänna elnätet. De är utrustade med energilagringsbatterier för att säkerställa en stabil strömförsörjning, vilket möjliggör strömförsörjning till belastningar under natttid eller vid långvarig molnighet/regntid när solenergiframställningen är otillräcklig.

Oavsett systemtyp är arbetssättet detsamma: PV-modulerna omvandlar solljus till likström (DC), som sedan omvandlas till växelström (AC) av en omvandlare, vilket möjliggör strömförbrukning eller nätanslutning.

1. Fotovoltaiska (PV) moduler

PV-moduler är den kärnkomponenten i hela energiframställningsystemet. De tillverkas genom att kombinera enskilda fotovoltaiska celler, som skärs till olika storlekar med hjälp av laserskärning eller trådskärning. Eftersom spännings- och strömutmatningen från en enda solcell är mycket låg, kopplas flera celler först i serie för att uppnå högre spänning, och sedan parallellt för att öka strömmen. Sammansättningen inkluderar en blockeringodiod (för att förhindra bakåtströmning) och är inkapslad i en ram gjord av rostfritt stål, aluminium eller icke-metalliska material. Det är täckt med tempererat glas framifrån, en bakplåt bakifrån, fyllt med kvävegas och hermetiskt stängt. Flera PV-moduler anslutna i serie och parallellt bildar en PV-array (även känd som en solarray).

Arbetssätt: När solljus träffar halvledarmaterials p-n-förbindelse genereras elektron-hålpar. Under inflytande av det elektriska fältet i p-n-förbindelsen rör sig hålen mot p-regionen och elektronerna mot n-regionen. När kretsen är stängd flyter ström. Den primära funktionen hos PV-moduler är att omvandla solenergi till elektrisk energi, antingen lagras den i batterier eller direkt strömförsörjer elektriska belastningar.

Typer av PV-moduler:

• Monokristallint silikon:Effektivitet ≈ 18%, upp till 24% — den högsta bland alla PV-typer. Vanligtvis inkapslat med tempererat glas och vattenavvisande harz, vilket gör dem hållbara och livslånga (livslängd upp till 25 år).

• Polikristallint silikon:Effektivitet ≈ 14%. Liknande tillverkningsprocess som monokristallint, men med lägre effektivitet, lägre kostnad och kortare livslängd. Men det är enklare att producera, kräver mindre energi och har lägre tillverkningsekonomi, vilket leder till bred användning.

• Amorft silikon (Tunnfilm):Effektivitet ≈ 10%. Tillverkad med en helt annan tunnfilmsprocess, vilket kräver minimalt med silikon och energi. Dess huvudsakliga fördel är bättre prestanda vid lågt ljus.

2. Regulator (Används i nätfristående system)

Solregulatorn är ett automatiskt enhet som förhindrar överladdning och överdischarge av batterier. Utrustad med en höghastighets-CPU-mikroprocessor och en högprecision A/D-omvandlare, fungerar den som en mikrodatorbaserad datainsamling och övervakningskontrollsystem. Den kan snabbt samla in realtidsdriftsdata, övervaka systemstatus och lagra historiska data, vilket ger noggrann och tillräcklig information för att utvärdera systemdesign och komponentens tillförlitlighet. Den stöder också seriell kommunikation för centraliserad hantering och fjärrstyrning av flera PV-understationer.

3. Omvandlare

En omvandlare omvandlar den likström (DC) som genereras av solpaneler till växelström (AC), vilket gör den kompatibel med standardväxelströmsdrivna apparater. PV-omvandlaren är en viktig balanskomponent (BOS) och inkluderar specialfunktioner som Maximum Power Point Tracking (MPPT) och isoleringsskydd.

Typer av solomvandlare:

• Standalone-omvandlare:Används i nätfristående system. PV-arrayen laddar batteriet, och omvandlaren drar DC-ström från batteriet för att leverera AC-belastningar. Många standalone-omvandlare inkluderar inbyggda batteriladdare som kan ladda batteriet med AC-ström. Dessa omvandlare är inte anslutna till nätet och kräver inte isoleringsskydd.

• Nätansluten omvandlare:Matar AC-ström tillbaka till det offentliga elnätet. Dess utgångsvågform måste matcha nätets fas, frekvens och spänning. Den stänger automatiskt av om nätet kopplas ifrån för säkerhet. Den ger inte backup-ström vid nätavbrott.

• Batteribackup-omvandlare:En speciell omvandlare som använder batterier som sin primära strömkälla och inkluderar en laddare för att ladda dem. Överflödig ström kan matas tillbaka till nätet. Vid nätavbrott kan den leverera AC-ström till angivna kretsar, och inkluderar därför isoleringsskydd.

4. Batteri (Ej nödvändigt i nätanslutna system)

Batteriet är energilagringenheten i ett PV-system. Vanliga typer inkluderar sluten bleckbatteri, öppet bleckbatteri, gel och nikkel-kadmium alkalibatterier. Slutna bleckbatterier och gelbatterier är de mest använda.

Arbetssätt: Under dagen träffar solljus PV-modulerna, vilket genererar likspänning och omvandlar ljus till elektricitet. Denna ström skickas till regulatorn, som förhindrar överladdning, och lagras sedan i batteriet för senare användning när det behövs.