Auringonvoimatehdas: Tyypit Komponentit ja Toimintaperiaatteet

Auringon voimakentät ovat järjestelmiä, jotka käyttävät auringon energiaa sähköntuotantoon. Ne voidaan luokitella kahdeksi päätyypiksi: valosäteilevät (PV) voimakentät ja keskittyvä auringonvoima (CSP). Valosäteilevät voimakentät muuntavat auringonvalon suoraan sähköksi käyttäen aurinkopaneleja, kun taas keskittyvät auringonvoiman laitokset käyttävät peiloja tai linssielementtejä keskittämään auringonvaloa ja lämmittämään nestettä, joka kuljettaa turbiinia tai moottoria. Tässä artikkelissa selitetään molempien auringonvoimaloiden komponentit, asettelu ja toiminta, sekä niiden edut ja haitat.

Mikä on valosäteilevä voimakenttä?

Valosäteilevä voimakenttä on suuri mittakaavainen PV-järjestelmä, joka on yhdistetty verkkoon ja suunniteltu tuottamaan paljon sähköä auringon säteilystä. Valosäteilevän voimakentän komponentit sisältävät esimerkiksi:

• Aurinkopaneelit: Nämä ovat PV-järjestelmän perusyksiköt. Ne koostuvat aurinkopaneeleista, jotka muuntavat valon sähköksi. Aurinkopaneelit on yleensä tehty silikaatista, joka on semivoide, joka voi absorboida fotonit ja vapauttaa elektronit. Elektronit virtaavat piirin kautta ja luovat sähkövirtauksen. Aurinkopaneelit voidaan asettaa eri konfiguraatioihin, kuten sarjaan, rinnankeskustaan tai sarja-rinnankeskustaan, riippuen järjestelmän jännitteeseen ja virtaan.

• Inversiorit: Nämä ovat laitteita, jotka muuntavat suoran sähkövirran (DC), jonka aurinkopaneelit tuottavat, vuorovesisähkövirtaukseksi (AC), jota voidaan syöttää verkkoon tai käyttää AC-kulutuksessa.

  

• Inversiorit voidaan luokitella kahteen ryhmään: keskusinversioihin ja mikroinversioihin. Keskusinversiot ovat suuria yksiköitä, jotka yhdistävät useita aurinkopaneeleja tai -ryhmiä ja tarjoavat yhden AC-ulostulon. Mikroinversiorit ovat pieniä yksiköitä, jotka yhdistetään jokaiseen aurinkopaneeliin tai -paneeliin ja tarjoavat yksilöllisiä AC-ulostulot. Keskusinversiot ovat tehokkaampia ja tehokkaampia suurten järjestelmien kannalta, kun taas mikroinversiot ovat joustavampia ja luotettavampia pienille järjestelmille.

• Laturakontrollit: Nämä ovat laitteita, jotka säätelevät aurinkopaneelien tai -ryhmien jännitettä ja virtaa estääkseen akkujen ylikuormituksen tai ylikuormituksen. Laturakontrollit voidaan luokitella kahteen ryhmään: pulssileveysmodulaatiokontrolleihin (PWM) ja maksimitehojen seurantaan (MPPT). PWM-kontrollit ovat yksinkertaisempia ja halvempia, mutta ne hävittelevät osan energiasta kytkemällä päälle ja pois laturavirta. MPPT-kontrollit ovat monimutkaisempia ja kalliimpia, mutta ne optimoivat energian tuotannon säätämällä jännitettä ja virtaa vastaamaan aurinkopaneelien tai -ryhmien maksimitehotason.

• Akut: Nämä ovat laitteita, jotka tallentavat ylijäämäsähköä, jota aurinkopaneelit tai -ryhmit tuottavat, myöhemmin käytettäväksi, kun ei ole auringonvaloa tai kun verkkoyhteys on katkaistu. Akut voidaan luokitella kahteen ryhmään: lyijy-happoakut ja litium-ioniakut. Lyijy-happoakut ovat halvempia ja yleisempiä, mutta niillä on alhaisempi energiasuhde, lyhyempi elinkaari ja niitä tarvitaan enemmän huoltoa. Litium-ioniakut ovat kalliimpia ja vähemmän yleisiä, mutta niillä on korkeampi energiasuhde, pidempi elinkaari ja niitä tarvitaan vähemmän huoltoa.

• Kytkimet: Nämä ovat laitteita, jotka yhdistävät tai irrottaa järjestelmän eri osia, kuten aurinkopaneelit, inversiorit, akut, kulutukset tai verkot. Kytkimet voivat olla manuaalisia tai automaattisia, riippuen tarvittavasta turvallisuudesta ja ohjauksesta. Manuaaliset kytkimet vaativat ihmisen puuttumista niiden toiminnan hoitamiseksi, kun taas automaattiset kytkimet toimivat määriteltyjen ehtojen tai signaalien perusteella.

• Mittarit: Nämä ovat laitteita, jotka mitaavat ja näyttävät järjestelmän eri parametreja, kuten jännitettä, virtaa, tehoa, energiaa, lämpötilaa tai säteilyä. Mittarit voivat olla analogisia tai digitaalisia, riippuen näyttötyyppistä ja tarkkuudesta. Analogiset mittarit käyttävät neuleita tai viittareita arvojen näyttämiseen, kun taas digitaaliset mittarit käyttävät numeroita tai kaavioita arvojen näyttämiseen.

• Kapelit: Nämä ovat johtoja, jotka siirtävät sähköä järjestelmän eri komponenttien välillä. Kapelit voidaan luokitella kahteen ryhmään: DC-kapelit ja AC-kapelit. DC-kapelit kuljettavat suoraa sähkövirtaa aurinkopaneeliltä inversioihin tai akuihin, kun taas AC-kapelit kuljettavat vuorovesisähkövirtaa inversioreista verkkoon tai kulutuksiin.

Valosäteilevän voimakentän asettelu riippuu useista tekijöistä, kuten paikkaolosuhteista, järjestelmän koolta, suunnittelutavoitteista ja verkon vaatimuksista. Kuitenkin tyypillisessä asettelussa on kolme pääosaa: tuotantiosa, siirtosa ja jakeliosa.

Tuotantiosa sisältää aurinkopaneelit, asetustukirakenteet ja inversiorit, jotka tuottavat sähköä auringonvalosta.

Siirtosa sisältää kapelit, kytkimet ja mittarit, jotka siirtävät sähköä tuotantosekstistä jakelusekstiin.

Jakeliosa sisältää akut, laturakontrollit ja kulutukset, jotka varastoivat tai kuluttavat sähköä.

Seuraava kaavio näyttää esimerkin valosäteilevän voimakentän asettelusta:

Valosäteilevän voimakentän toiminta riippuu useista tekijöistä, kuten sääolosuhteista, kulutusvaatimuksista ja verkon tilanteesta. Kuitenkin tyypillisessä toiminnassa on kolme päätilaa: lataustila, purkutila ja verkkoyhdistystila.

Lataustila tapahtuu, kun on ylijäämäauringonvaloa ja alhaisia kulutusvaatimuksia. Tässä tilassa aurinkopaneelit tuottavat enemmän sähköä kuin kulutukset tarvitsevat. Ylijäämäsähköä käytetään akkujen lataamiseen laturakontrollien kautta.

Purkutila tapahtuu, kun ei ole auringonvaloa tai kun on korkeita kulutusvaatimuksia. Tässä tilassa aurinkopaneelit tuottavat vähemmän sähköä kuin kulutukset tarvitsevat. Puuttuvaa sähköä toimitetaan akuilta inversiojen kautta.

Verkkoyhdistystila tapahtuu, kun verkkoyhteys on saatavilla ja hinnoitteluperusteet ovat suotuisat. Tässä tilassa aurinkopaneelit tuottavat sähköä, joka voidaan syöttää verkkoon inversiojen kautta.

Verkkoyhdistystila voi myös tapahtua, kun on verkkohäiriö, ja varausenergiaa tarvitaan. Tässä tilassa aurinkopaneelit tuottavat sähköä, jota kulutukset voivat käyttää inversiojen kautta.

Mikä on keskittyvä auringonvoima?

Keskittyvä auringonvoima on suuri mittakaavainen CSP-järjestelmä, joka käyttää peiloja tai linssiä keskittämään auringonvaloa vastaanottajaan, joka lämmittää nestettä, joka kuljettaa turbiinia tai moottoria sähköntuotantoon. Keskittyvän auringonvoiman laitoksen komponentit sisältävät esimerkiksi:

• Keräilijät: Nämä ovat laitteita, jotka heijastavat tai sirpalevat auringonvalon vastaanottajaan. Keräilijät voidaan luokitella neljään ryhmään: paraabelinen kuoppa, paraabelinen lautanen, lineaarinen Fresnel-peili ja keskusvastaanottaja. Paraabeliset kuopat ovat kaarevat peilit, jotka keskittävät auringonvalon lineaariselle vastaanottajalle, joka kulkee niiden polun pitkin. Paraabeliset lautanaset ovat koverat peilit, jotka keskittävät auringonvalon pistevastaanottajaan kohdassa. Lineaariset Fresnel-peilit ovat tasapintaisia peilejä, jotka heijastavat auringonvalon lineaariselle vastaanottajalle niiden yläpuolelle. Keskusvastaanottajat ovat tornia ympäröivä joukko tasapintaisia peilejä, jotka heijastavat auringonvalon pistevastaanottajaan niiden huipulla.

• Vastaanottajat: Nämä ovat laitteita, jotka imevät keskittyneen auringonvalon ja siirtävät sen lämmön siirtymäaineeseen (HTF). Vastaanottajat voidaan luokitella kahteen ryhmään: ulkopuoliset vastaanottajat ja sisäiset vastaanottajat. Ulkopuoliset vastaanottajat ovat alttiina ilmakehälle ja menettävät paljon lämpöä konvektiolla ja säteilyllä. Sisäiset vastaanottajat ovat suljetuissa tyhjiökammioissa ja menettävät vähän lämpöä eristyksen ja tyhjiötekniikan ansiosta.

• Lämpölähdeaineet: Nämä ovat aineita, jotka kulkevat vastaanottajien kautta ja kuljettavat lämpöä keräilijöistä voimakenttään. Lämpölähdeaineet voidaan luokitella kahteen ryhmään: lämpölähdeaineet ja sulatetyt maalit. Lämpölähdeaineet ovat orgaanisia nesteitä, kuten synteesiöljyjä tai hydrokarbuureja, joilla on korkea kiehumispiste ja alhainen jäätymispiste. Sulatetyt maalit ovat inorganisia yhdisteitä, kuten natriumnitraatti tai kaliumnitraatti, joilla on korkea lämpökapasiteetti ja alhainen höyrypainepiste.

• Voimakenttä: Tässä sähköä tuotetaan lämpöä käyttäen turbiinia tai moottoria, joka on yhdistetty generaattoriin. Voimakenttä voidaan luokitella kahteen ryhmään: höyrykierros ja Brayton-kierros. Höyrykierros