תחנות כוח סולריות: סוגים מרכיבים עקרונות פעולה

תחנות כוח סולאריות הן מערכות שמשתמשות באנרגיה סולארית לייצור חשמל. ניתן לחלק אותן לשני סוגים עיקריים: תחנות כוח פוטו-וולטאיות (PV) ותחנות כוח סולאריות מרוכזות (CSP). תחנות כוח פוטו-וולטאיות ממירות את האור השמשי ישירות לחשמל באמצעות תאים סולאריים, בעוד שתחנות כוח סולאריות מרוכזות משתמשות במראות או עדשות כדי להרוויח אור שמש ולהתחמם נוזל שמדליק טורבינה או מנוע. במאמר זה, נסביר את המרכיבים, התכנון והפעולה של שני סוגי תחנות הכוח הסולאריות, כמו גם את היתרונות והחסרונות שלהם.

מה היא תחנת כוח פוטו-וולטאית?

תחנת כוח פוטו-וולטאית היא מערכת PV גדולה שמחוברת לרשת ומוגדרת לייצור חשמל מסיבי מאנרגיה סולארית. תחנת כוח פוטו-וולטאית מורכבת מהמרכיבים הבאים:

• מודולים סולאריים: אלה הם היחידות הבסיסיות של מערכת PV. הם מורכבים מתאים סולאריים הממירים אור לחשמל. תאים סולאריים הם בדרך כלל עשויים מסיליקון, שהוא חומר מוליך שיכול לספוג פוטונים לשחרר אלקטרונים. האלקטרונים זורמים דרך המעגל ויוצרים זרם חשמלי. מודולים סולאריים יכולים להיות מסודרים בהצורות שונות, כגון סידור בטור, מקביל או טור-מקביל, בהתאם לדרישות מתח והזרמה של המערכת.

• מבנים לתמיכה: אלה הם המסגרות או הקרשיות לתמיכה והכוונה של המודולים הסולאריים. הם יכולים להיות קבועים או ניתנים להתאמה, בהתאם למיקום והאקלים של האתר. מבנים קבועים הם יותר זולים ופשוטים, אבל הם אינם עוקבים אחר תנועת השמש ואולי יפחיתו את הפלט של המערכת. מבנים ניתנים להתאמה יכולים לנעוץ או לסובב את המודולים הסולאריים לעקוב אחר מיקום השמש ולשפר את ייצור האנרגיה. הם יכולים להיות ידניים או אוטומטיים, בהתאם למגמת השליטה והדיוק הנדרשת.

• מפעלים: אלה הם מכשירים הממירים את הזרם הישיר (DC) שנוצר על ידי המודולים הסולאריים לזרם חילופין (AC) שיכול להישלח לרשת או לשימוש על ידי עומסים AC.

  

• מפעלים יכולים להיות מסווגים לשני סוגים: מפעלים מרכזיים ומפעלים מיקרו. מפעלים מרכזיים הם יחידות גדולות שמחברות מספר מודולים סולאריים או מערכים ומספקות פלט AC אחד. מפעלים מיקרו הם יחידות קטנות שמחברות לכל מודול סולארי או פאנל ומספקות פלטים AC אישיים. מפעלים מרכזיים הם יותר יעילים ויעילים למערכות גדולות, בעוד שמפעלים מיקרו הם גמישים ואמינים יותר למערכות קטנות.

• בקרות טעינה: אלה הם מכשירים שרגילים את המתח והזרמה של המודולים הסולאריים או מערכים למנוע טעינה יתר או-הפרדה של הסוללות. בקרות טעינה יכולות להיות מסווגות לשני סוגים: בקרות מודולציה רוחב פלס (PWM) ובקרות מעקב אחר נקודת הכוח המקסימלית (MPPT). בקרות PWM פשוטות וזולות יותר, אבל הן מזניחות חלק מהאנרגיה על ידי החלפת הזרמת הטעינה. בקרות MPPT מורכבות ויקרות יותר, אבל הן מיטיבות את פלט האנרגיה על ידי התאמה של המתח והזרמה כדי להתאים לנקודת הכוח המקסימלית של המודולים הסולאריים או מערכים.

• סוללות: אלה הם מכשירים המשמרים חשמל עודף שנוצר על ידי המודולים הסולאריים או מערכים לשימוש מאוחר כאשר אין אור שמש או כאשר הרשת לא פעילה. סוללות יכולות להיות מסווגות לשני סוגים: סוללות חומצה-납 וסוללות לייטיום-יון. סוללות חומצה-납 זולות יותר ונמצאות בשימוש רחב יותר, אבל יש להם צפיפות אנרגיה נמוכה, חיי שימוש קצרים ודורשים יותר תחזוקה. סוללות לייטיום-יון יקרות יותר ונדירות יותר, אבל יש להם צפיפות אנרגיה גבוהה, חיי שימוש ארוכים ודורשות פחות תחזוקה.

• מפסקים: אלה הם מכשירים שמחברים או מפרידים חלקים שונים של המערכת, כגון מודולים סולאריים, מפעלים, סוללות, עומסים או רשתות. מפסקים יכולים להיות ידניים או אוטומטיים, בהתאם לרמת הבטיחות והשליטה הנדרשת. מפסקים ידניים דורשים התערבות אנושית כדי לפעול אותם, בעוד שמפסקים אוטומטיים פועלים לפי תנאי מוגדרים מראש או אותות.

• מדדים: אלה הם מכשירים המדדים ומראים פרמטרים שונים של המערכת, כגון מתח, זרם, כוח, אנרגיה, טמפרטורה או קרינת השמש. מדדים יכולים להיות אנלוגיים או דיגיטליים, בהתאם לסוג הצג והדיוק הנדרש. מדדים אנלוגיים משתמשים בעטיפות או בחיצים כדי להראות ערכים, בעוד מדדים דיגיטליים משתמשים במספרים או גרפים כדי להראות ערכים.

• קבלים: אלה הם חוטים המשדרים חשמל בין מרכיבים שונים של המערכת. קבלים יכולים להיות מסווגים לשני סוגים: קבלים DC וקבלים AC. קבלים DC מעבירים זרם ישיר מהמודולים הסולאריים למפעלים או לסוללות, בעוד שקבלים AC מעבירים זרם חילופין מהמפעלים לרשת או לעומסים.

התכנון של תחנת כוח פוטו-וולטאית תלוי בגורמים שונים, כגון מצב האתר, גודל המערכת, מטרות התכנון ודרישות הרשת. עם זאת, תכנון טיפוסי כולל שלושה חלקים עיקריים: חלק ייצור, חלק העברה וחלק הפצה.

החלק של הייצור כולל מודולים סולאריים, מבנים לתמיכה ומפעלים המפיקים חשמל מאור השמש.

החלק של ההעברה כולל קבלים, מפסקים ומדדים המעבירים חשמל מהחלק של הייצור לחלק של ההפצה.

החלק של ההפצה כולל סוללות, בקרות טעינה ועומסים המשמרים או מצריכים חשמל.

התרשים הבא מראה דוגמה לתכנון של תחנת כוח פוטו-וולטאית:

הפעולה של תחנת כוח פוטו-וולטאית תלויה בגורמים שונים, כגון מצב האקלים, דרישת עומס וסטטוס הרשת. עם זאת, פעולה טיפוסית כוללת שלושה מצבים עיקריים: מצב טעינה, מצב הפרדה ומצב חיבור לרשת.

מצב הטעינה מתרחש כאשר יש עודף אור שמש ודישה נמוכה של עומס. במצב זה, המודולים הסולאריים מייצרים יותר חשמל מאשר הנדרש לעומסים. החשמל הנוסף משמש לטעינת הסוללות דרך בקרות הטעינה.

מצב ההפרדה מתרחש כאשר אין אור שמש או דישה גבוהה של עומס. במצב זה, המודולים הסולאריים מייצרים פחות חשמל מאשר הנדרש לעומסים. החשמל הנדרש מסופק על ידי הסוללות דרך המפעלים.

מצב החיבור לרשת מתרחש כאשר יש הזדמנות לרשת ותעריפים מועדפים. במצב זה, המודולים הסולאריים מייצרים חשמל שיכול להישלח לרשת דרך המפעלים.

מצב החיבור לרשת יכול גם להתרחש כאשר יש תקלה ברשת, ודרוש חשמל חילוף. במצב זה, המודולים הסולאריים מייצרים חשמל שיכול לשמש על ידי העומסים דרך המפעלים.

מה היא תחנת כוח סולארית מרוכזת?

תחנת כוח סולארית מרוכזת היא מערכת CSP גדולה המשתמשת במראות או עדשות כדי להרוויח אור שמש על מחשב שמשרת נוזל שמדליק טורבינה או מנוע לייצור חשמל. תחנת כוח סולארית מרוכזת מורכבת מהרכיבים הבאים:

• קולקטורים: אלה הם מכשירים המשתקפים או מעדלים אור שמש על מחשב. קולקטורים יכולים להיות מסווגים לארבעה סוגים: טרנחות פרבוליות, מגשים פרבוליים, רפלקטורים ליניאריים פרנל ומקבלים מרכזיים. טרנחות פרבוליות הן מראות עקומות שמקדמות אור שמש על מחשב tübe ליניארי המרוחק לאורך קו המוקד שלהן. מגשים פרבוליים הם מראות קעורות שמקדמות אור שמש על מחשב נקודתי במוקדן. רפלקטורים ליניאריים פרנל הם מראות שטוחות המשתקפות על מחשב tübe ליניארי מעליהן. מקבלים מרכזיים הם מגדלים מוקפים בתצוגה של מראות שטוחות המכונות הליסטטים המשתקפות על מחשב נקודתי בראשם.

• מקבלים: אלה הם מכשירים שאוכלים אור שמש מרוכזים ומזרים אותו לנוזל מעבר חום (HTF). מקבלים יכולים להיות מסווגים לשני סוגים: מקבלים חיצוניים ומקבלים פנימיים. מקבלים חיצוניים חשופים לאטמוספירה ויש להם אבדות חום גבוהות בשל הקונבקציה והרדיציה. מקבלים פנימיים מוקפים בקופסה בריק ויש להם אבדות חום נמוכות בשל ההבודדות וההסרה.

• נוזלי מעבר חום: אלה הם נוזלים המתגלגלים דרך המקבלים ומעבירים חום מהקולקטורים לחבל הכוח. נוזלי מעבר חום יכולים להיות מסווגים לשני סוגים: נוזלי חום ומלחות מומסות. נוזלי חום הם נוזלים אורגניים כגון שמן סינתטי או הידרוקרבונים שיש להם נקודות רתיחה גבוהות ונקודות קפיאה נמוכות. מלחות מומסות הן חומרים אינו-אורגניים כגון ניטרט סודיום או ניטרט פוטסיום שיש להם קיבולת חום גבוהה ולחץ אדים נמוך.

• חבל הכוח: זהו המקום בו מיוצר חשמל מחום באמצעות טורבינה או מנוע המחובר למחולל חשמל. חבל הכוח יכול להיות מסווג לשני סוגים: מחזור קיטור ומחזור Brayton. מחזור הקיטור משתמש במים כ-HTF ומייצר קיטור שמדליק טורבינה קיטורית מחוברת למחולל חשמל. מחזור Brayton משתמש באוויר כ-HTF ומייצר אוויר חם שמדליק טורבינה גזית מחוברת למחולל חשמל.

• מערכת אחסון: זהו המקום בו נשמר חום עודף לשימוש מאוחר כאשר אין אור שמש או כאשר יש דישה גבוהה של עומס. מערכות אחסון יכולות להיות מסווגות לשני סוגים: אחסון חום מורגש ואחסון חום לטנטי. אחסון חום מורגש משתמש בחומרים כגון סלעים, מים או מלחות מומסות המשמרים חום על ידי הגברת הטמפרטורה שלהם מבלי לשנות את המופע שלהם. אחסון חום לטנטי משתמש בחומרים כגון חומרים משנים מופע (PCMs) או חומרים תרמו-כימיים (TCMs) המשמרים חום על ידי שינוי המופע או המצב הכימי שלהם מבלי לשנות את הטמפרטורה שלהם.

התכנון של תחנת כוח סולארית מרוכזת תלוי בגורמים שונים, כגון מצב האתר, גודל המערכת, מטרות התכנון ודרישות הרשת. עם זאת, תכנון טיפוסי כולל שלושה חלקים עיקריים: שדה איסוף, חבל הכוח ומערכת אחסון.

שדה האיסוף כולל את הקולקטורים, המקבלים וה-HTFs המאספים ומזרים חום מאור השמש.