Solceller: Typer, Komponenter og Arbejdsprincipper

Solceller er systemer, der bruger solenergi til at producere elektricitet. De kan inddeles i to hovedtyper: fotovoltaiske (PV) kraftværker og koncentrerede solkraftværker (CSP). Fotovoltaiske kraftværker konverterer direkte sollys til elektricitet ved hjælp af solceller, mens koncentrerede solkraftværker bruger spejle eller linser til at koncentrere sollys og opvarme en væske, der drev en turbine eller motor. I denne artikel vil vi forklare komponenterne, layoutet og drift af begge typer solkraftværker, samt deres fordele og ulemper.

Hvad er en fotovoltaisk kraftværk?

En fotovoltaisk kraftværk er et stort PV-system, der er forbundet til nettet og designet til at producere bulk-el fra solstråling. En fotovoltaisk kraftværk består af flere komponenter, såsom:

• Solmoduler: Dette er de grundlæggende enheder i et PV-system. De er sammensat af solceller, der konverterer lys til elektricitet. Solceller er normalt lavet af silicium, som er en halvleder, der kan absorbere fotoner og frigive elektroner. Elektronerne flyder gennem kredsløbet og skaber en elektrisk strøm. Solmoduler kan arrangeres i forskellige konfigurationer, såsom serie, parallel eller serie-parallelt, afhængigt af spænding og strømforskrivelsen for systemet.

• Montagekonstruktioner: Dette er rammene eller hylder, der understøtter og orienterer solmodulerne. De kan være faste eller justerbare, afhængigt af placeringen og klimaet på stedet. Faste montagekonstruktioner er billigere og enklere, men de følger ikke solens bevægelse og kan reducere systemets output. Justerbare montagekonstruktioner kan tippe eller rotere solmodulerne for at følge solens position og optimere energiproduktionen. De kan være manuelle eller automatiske, afhængigt af den ønskede kontrol og præcision.

• Omvendere: Dette er enheder, der konverterer den direkte strøm (DC), der produceres af solmodulerne, til alternativ strøm (AC), der kan fødes ind i nettet eller bruges af AC-belastninger.

  

• Omvendere kan inddeles i to typer: centrale omvendere og mikro-omvendere. Centrale omvendere er store enheder, der forbinder flere solmoduler eller -arrangementer og giver en enkelt AC-output. Mikro-omvendere er små enheder, der forbinder hver solmodule eller -panel og giver individuelle AC-outputs. Centrale omvendere er mere kosteffektive og effektive for store systemer, mens mikro-omvendere er mere fleksible og pålidelige for små systemer.

• Ladestyrere: Dette er enheder, der regulerer spændingen og strømmen af solmodulerne eller -arrangementerne for at forhindre overladning eller over-udladning af batterierne. Ladestyrere kan inddeles i to typer: pulsbredde-modulering (PWM) styrere og maksimal effektpunkt sporings (MPPT) styrere. PWM-styrere er enklere og billigere, men de spilder nogle energi ved at slukke og tænde ladestrømmen. MPPT-styrere er mere komplekse og dyre, men de optimiserer energioutputtet ved at justere spændingen og strømmen for at matche det maksimale effektpunkt for solmodulerne eller -arrangementerne.

• Batterier: Dette er enheder, der gemmer overskydende elektricitet, der genereres af solmodulerne eller -arrangementerne, til senere brug, når der ikke er sollys eller når nettet er nede. Batterier kan inddeles i to typer: bly-syrebatterier og lithium-ion batterier. Bly-syrebatterier er billigere og mere udbredte, men de har en lavere energitæthed, kortere levetid og kræver mere vedligeholdelse. Lithium-ion batterier er mere dyre og mindre almindelige, men de har en højere energitæthed, længere levetid og kræver mindre vedligeholdelse.

• Kontakter: Dette er enheder, der forbinder eller afbryder forskellige dele af systemet, såsom solmoduler, omvendere, batterier, belastninger eller net. Kontakter kan være manuelle eller automatiske, afhængigt af sikkerhedsniveauet og kontrollen, der er nødvendig. Manuelle kontakter kræver menneskelig intervention for at operere dem, mens automatiske kontakter opererer baseret på fordefinerede betingelser eller signaler.

• Målere: Dette er enheder, der måler og viser forskellige parametre for systemet, såsom spænding, strøm, effekt, energi, temperatur eller stråling. Målere kan være analoge eller digitale, afhængigt af typen af visning og nødvendig præcision. Analoge målere bruger pile eller urvisere til at vise værdier, mens digitale målere bruger tal eller grafer til at vise værdier.

• Kabler: Dette er ledninger, der transmitterer elektricitet mellem forskellige komponenter i systemet. Kabler kan inddeles i to typer: DC-kabler og AC-kabler. DC-kabler bærer direkte strøm fra solmodulerne til omvendere eller batterier, mens AC-kabler bærer alternativ strøm fra omvendere til nettet eller belastninger.

Layoutet for en fotovoltaisk kraftværk afhænger af flere faktorer, såsom stedets forhold, systemets størrelse, designmål og netkrav. Dog består et typisk layout af tre hoveddele: produktionsdel, transmissionsdel og distributionsdel.

Produktionsdelen inkluderer solmoduler, montagekonstruktioner og omvendere, der producerer elektricitet fra sollys.

Transmissionsdelen inkluderer kabler, kontakter og målere, der transmitterer elektricitet fra produktionsdelen til distributionsdelen.

Distributionsdelen inkluderer batterier, ladestyrere og belastninger, der gemmer eller forbruger elektricitet.

Følgende diagram viser et eksempel på et fotovoltaisk kraftværks layout:

Driften af en fotovoltaisk kraftværk afhænger af flere faktorer, såsom vejrforhold, belastningskrav og nettets status. Dog består en typisk drift af tre hovedtilstande: opladningstilstand, afladningstilstand og netforbindelses-tilstand.

Opladningstilstanden forekommer, når der er overskydende sollys og lavt belastningskrav. I denne tilstand producerer solmodulerne mere elektricitet end belastningerne behøver. Den overskydende elektricitet bruges til at oplade batterierne gennem ladestyrerne.

Afladningstilstanden forekommer, når der ikke er sollys eller højt belastningskrav. I denne tilstand producerer solmodulerne mindre elektricitet end belastningerne behøver. Det manglende elektricitet leveres af batterierne gennem omvendere.

Netforbindelses-tilstanden forekommer, når der er nettilgængelighed og gunstige tarifsatser. I denne tilstand producerer solmodulerne elektricitet, der kan fødes ind i nettet gennem omvendere.

Netforbindelses-tilstanden kan også forekomme, når der er en netudfald, og backup-strøm er nødvendig. I denne tilstand producerer solmodulerne elektricitet, der kan bruges af belastninger gennem omvendere.

Hvad er en koncentreret solkraftværk?

En koncentreret solkraftværk er et stort CSP-system, der bruger spejle eller linser til at koncentrere sollys på en modtager, der opvarmer en væske, der drev en turbine eller motor for at producere elektricitet. En koncentreret solkraftværk består af flere komponenter, såsom:

• Indsamler: Dette er enheder, der reflekterer eller refrakterer sollys på en modtager. Indsamler kan inddeles i fire typer: parabolske træk, parabolske tallerkener, lineære Fresnel-reflektor og centrale modtagere. Parabolske træk er kurvede spejle, der fokuserer sollys på en lineær modtager-rør, der løber langs deres fokallinje. Parabolske tallerkener er konkave spejle, der fokuserer sollys på en punktmodtager i deres fokuspunkt. Lineære Fresnel-reflektor er flade spejle, der reflekterer sollys på en lineær modtager-rør over dem. Centrale modtagere er tårne omgivet af et array af flade spejle kaldet heliostater, der reflekterer sollys på en punktmodtager på deres top.

• Modtagere: Dette er enheder, der absorberer koncentreret sollys og overfører det til en varmetransfer-væske (HTF). Modtagere kan inddeles i to typer: eksterne modtagere og interne modtagere. Eksterne modtagere er udsat for atmosfæren og har høje varmetab pga. konvektion og stråling. Interne modtagere er indkapslet i en vakuumkammer og har lave varmetab pga. isolation og evacuation.

• Varmetransfer-væsker: Dette er væsker, der cirkulerer gennem modtagerne og transporterer varme fra indsamlerne til kraftblokken. Varmetransfer-væsker kan inddeles i to typer: termiske væsker og smeltede salt. Termiske væsker er organiske væsker, såsom syntetiske oljer eller kulbrinter, der har høje kogepunkter og lave frysepunkter. Smeltede salt er inorganiske forbindelser, såsom natriumnitrat eller kaliumnitrat, der har en høj varmekapacitet og lav damptryk.

• Kraftblok: Dette er, hvor elektricitet genereres fra varme ved hjælp af en turbine eller motor koblet med en generator. Kraftblok kan inddeles i to typer: dampcyklus og Brayton-cyklus. Dampcyklus bruger vand som HTF og producerer damp, der driver en damp-turbine forbundet med en elektrisk generator. Brayton-cyklus bruger luft som HTF og producerer varm luft, der driver en gas-turbine forbundet med en elektrisk generator.

• Lagringsystem: Dette er, hvor overskydende varme lagres til senere brug, når der ikke er sollys eller når der er højt belastningskrav. Lagringssystemer kan inddeles i to typer: sensibel varmelagring og latent varmelagring. Sensibel varmelagring bruger materialer, såsom sten, vand eller smeltede salt, der lagrer varme ved at øge deres temperatur uden at ændre deres fase. Latent varmelagring bruger materialer, såsom faserændringsmaterialer (PCMs) eller termokemiske materialer (TCMs), der lagrer varme ved at ændre deres fase eller kemiske tilstand uden at ændre deres temperatur.

Layoutet for en koncentreret solkraftværk afhænger af flere faktorer, såsom stedets forhold, systemets størrelse, designmål og netkrav. Dog består et typisk layout af tre hoveddele: indsamlingsfelt, kraftblok og lagringssystem.

Indsamlingsfeltet inkluderer indsamler