Склад та принцип роботи систем фотоелектричного енерговиробництва

Склад та принцип роботи систем генерації електроенергії на основі фотоелементів (PV)

Система генерації електроенергії на основі фотоелементів (PV) в основному складається з PV-модулів, контролера, інвертора, акумуляторів та інших приладів (акумулятори не потрібні для систем, підключених до мережі). В залежності від того, чи спирається вона на загальнодоступну електричну мережу, PV-системи поділяються на автономні та підключені до мережі. Автономні системи працюють незалежно, без залежності від комунальної мережі. Вони оснащені аккумуляторами для зберігання енергії, щоб забезпечити стабільне надходження електроенергії, можучи надавати електроенергію при навантаженні вночі або під час довгих хмарних/дощових днів, коли сонячна генерація недостатня.

Незалежно від типу системи, принцип роботи залишається таким самим: PV-модулі перетворюють сонячний світло в постійний струм (DC), який потім перетворюється на перемінний струм (AC) за допомогою інвертора, що дозволяє споживання електроенергії або підключення до мережі.

1. Фотоелементні (PV) модулі

PV-модулі є ключовим компонентом всієї системи генерації електроенергії. Вони виготовляються шляхом об'єднання окремих фотоелементів, які розрізуються на різні розміри за допомогою лазерного або проволочного різання. Оскільки напруга та струм, вироблені однією сонячною батареєю, дуже низькі, кілька батарей спочатку з'єднуються послідовно, щоб досягти більшої напруги, а потім паралельно, щоб збільшити струм. Склад включає блокувальний діод (для запобігання протіканню струму у зворотньому напрямку) та заключений у рамку з нержавіючої сталі, алюмінію або неметалевих матеріалів. Він запечатаний з передньої сторони закаленим склом, з задньої — заднім покриттям, заповнений азотом і герметично запечатаний. Кілька PV-модулів, з'єднаних послідовно та паралельно, формують PV-масив (також відомий як сонячний масив).

Принцип роботи: Коли сонячний світло опиняється на напівпровідниковому p-n-перехресті сонячної батареї, генеруються електронно-дыркові пари. Під впливом електричного поля на p-n-перехресть, діри переїжджають до p-регіону, а електрони до n-регіону. Коли контур замиканий, струм починає течи. Основна функція PV-модулів — перетворювати сонячну енергію в електричну, зберігаючи її в акумуляторах або безпосередньо живляючи електричні навантаження.

Типи PV-модулів:

• Монокристалічний кремній: Ефективність ≈ 18%, до 24% — найвища серед усіх типів PV. Зазвичай заключений у закалене скло та водонепроникний полімер, що робить його міцним та довговічним (термін служби до 25 років).

• Полікристалічний кремній: Ефективність ≈ 14%. Подібний процес виробництва до монокристалічного, але з нижчою ефективністю, нижчою вартістю та коротшим терміном служби. Проте, його простіше виробляти, він споживає менше енергії та має нижчу вартість виробництва, що призводить до широкого застосування.

• Аморфний кремній (тонкоплівковий): Ефективність ≈ 10%. Виготовляється за допомогою повністю іншого тонкоплівкового процесу, що потребує мінімальної кількості кремнію та енергії. Його головна перевага — краща продуктивність при слабкому освітленні.

2. Контролер (використовується в автономних системах)

Сонячний зарядний контролер — це автоматичний пристрій, який запобігає перезарядженню та розрядженню акумуляторів. Обладнаний високошвидкісним CPU-мікропроцесором та високоточним A/D-конвертером, він функціонує як мікрокомп'ютерна система збору та моніторингу даних. Він може швидко збирати актуальні дані про роботу, моніторити стан системи та зберігати історичні дані, надаючи точну та достатню інформацію для оцінки дизайну системи та надійності компонентів. Він також підтримує серійне з'єднання для централізованого управління та віддаленого контролю декількох PV-підрозділів.

3. Інвертор

Інвертор перетворює постійний струм, вироблений сонячними панелями, на перемінний струм, роблячи його сумісним зі стандартними пристроями, питаємими від мережі переменного струму. PV-інвертор є ключовим компонентом балансу системи (BOS) та включає спеціальні функції, такі як трекінг максимальної точки потужності (MPPT) та захист від «острову».

Типи сонячних інверторів:

• Автономний інвертор: Використовується в автономних системах. PV-масив заряджує акумулятор, а інвертор отримує постійний струм з акумулятора для живлення навантажень перемінного струму. Багато автономних інверторів включають вбудовані зарядні пристрої, які можуть заряджати акумулятор за допомогою струму переменного струму. Ці інвертори не підключені до мережі та не потребують захисту від «острову».

• Інвертор, підключений до мережі: Подає струм переменного струму назад до комунальної мережі. Його вихідна форма хвилі повинна відповідати фазі, частоті та напрузі мережі. Він автоматично вимикається, якщо мережа відключена для безпеки. Він не надає резервного живлення під час відключень мережі.

• Інвертор з резервним акумулятором: Спеціальний інвертор, який використовує акумулятори як основний джерело живлення та включає зарядний пристрій для їх заряджання. Надлишкова енергія може бути повернута назад до мережі. Під час відключень мережі він може надавати струм переменного струму до виділених контурів, і тому включає захист від «острову».

4. Акумулятор (не потрібен в системах, підключених до мережі)

Акумулятор є одиницею зберігання енергії в PV-системі. Поширені типи включають герметичні свинцеві, залиті свинцеві, гелеві та никель-кадмієві алкальні акумулятори. Герметичні свинцеві та гелеві акумулятори є найпоширенішими.

Принцип роботи: Днем сонячний світло опиняється на PV-модулі, генеруючи постійну напругу та перетворюючи світло в електроенергію. Ця енергія надсилається до контролера, який запобігає перезарядженню, а потім зберігається в акумуляторі для подальшого використання, коли це потрібно.