Solarni elektrane: Vrste komponente i principi rada
Solarne elektrane su sustavi koji koriste sunčevu energiju za proizvodnju električne energije. Mogu se podijeliti u dvije glavne vrste: fotovoltaičke (PV) elektrane i koncentrirane solarno-energetske (CSP) elektrane. Fotovoltaičke elektrane direktno pretvaraju sunčevu svjetlost u električnu energiju pomoću solarnih čelija, dok koncentrirane solarno-energetske elektrane koriste ogledala ili sočive kako bi koncentrirale sunčevu svjetlost i zagrijale fluid koji pokreće turbine ili motore. U ovom članku objasniti ćemo komponente, raspored i rad oboje vrste solarnih elektrana, kao i njihove prednosti i nedostatke.
Što je fotovoltaička elektrana?
Fotovoltaička elektrana je velika PV sustava povezana s mrežom i dizajnirana da proizvodi veliku količinu električne energije iz sunčeve radijacije. Fotovoltaička elektrana sastoji se od nekoliko komponenti, poput:
Solarni moduli: To su osnovne jedinice PV sustava. Sastoje se od solarnih čelija koje pretvaraju svjetlost u električnu energiju. Solarni čeliji obično su izrađeni od silicijuma, semiprovodnika koji može apsorbirati fotonima i osloboditi elektrone. Elektroni teku kroz krug i stvaraju električni struj. Solarni moduli mogu biti raspoređeni u različitim konfiguracijama, poput serije, paralele ili serije-paralele, ovisno o naponu i potrebama struja sustava.
Konstrukcije za montiranje: To su okviri ili rešetke koji podržavaju i orijentiraju solarni module. Mogu biti fiksne ili prilagodljive, ovisno o lokaciji i klimatskim uvjetima lokacije. Fiksne konstrukcije za montiranje su jeftinije i jednostavnije, ali ne pratim kretanje Sunca i mogu smanjiti izlaz sustava. Prilagodljive konstrukcije za montiranje mogu nagibati ili rotirati solarni module kako bi pratili položaj Sunca i optimizirali proizvodnju energije. Mogu biti ručne ili automatske, ovisno o stupnju kontrole i točnosti koja je potrebna.
Inverteri: To su uređaji koji pretvaraju izravni struj (DC) proizveden od solarnih modula u alternativni struj (AC) koji se može unijeti u mrežu ili upotrebljavati od AC opterećenja.
Inverteri mogu se podijeliti u dvije vrste: centralni inverteri i mikro-inverteri. Centralni inverteri su velike jedinice koje spajaju nekoliko solarnih modula ili polja i pružaju jedan izlaz AC. Mikro-inverteri su male jedinice koje se spajaju na svaki solarni modul ili panel i pružaju pojedinačne izlaze AC. Centralni inverteri su učinkovitiji i efikasni za velike sustave, dok su mikro-inverteri fleksibilniji i pouzdani za male sustave.
Uređaji za regulaciju naboja: To su uređaji koji reguliraju napon i struj solarnih modula ili polja kako bi sprečili preopterećenje ili pre-iskazivanje baterija. Uređaji za regulaciju naboja mogu se podijeliti u dvije vrste: kontroleri širine impulsa (PWM) i kontroleri praćenja maksimalne točke snage (MPPT). PWM kontroleri su jednostavniji i jeftiniji, ali troše neku energiju tako što prekidaju i ponovno uključuju struj naboja. MPPT kontroleri su složeniji i skuplji, ali optimiziraju izlaz energije prilagođavanjem napona i struje kako bi se podudarao s maksimalnom točkom snage solarnih modula ili polja.
Baterije: To su uređaji koji pohranjuju prekomjernu električnu energiju generiranu od solarnih modula ili polja za kasniju upotrebu kada nema sunca ili kada je mreža isključena. Baterije se mogu podijeliti u dvije vrste: olovne kiseline baterije i litij-ionske baterije. Olovne kiseline baterije su jeftinije i šire korištene, ali imaju nižu gustoću energije, kraći životni vijek i zahtijevaju više održavanja. Litij-ionske baterije su skuplje i manje uobičajene, ali imaju veću gustoću energije, duži životni vijek i zahtijevaju manje održavanja.
Prekidači: To su uređaji koji spajaju ili odspajaju različite dijelove sustava, poput solarnih modula, invertera, baterija, opterećenja ili mreže. Prekidači mogu biti ručni ili automatski, ovisno o razini sigurnosti i kontrole koja je potrebna. Ručni prekidači zahtijevaju ljudsko zahvaćanje da bi ih operirali, dok automatski prekidači funkcioniraju na temelju predefiniranih uvjeta ili signala.
Brojaci: To su uređaji koji mjere i prikazuju razne parametre sustava, poput napona, struje, snage, energije, temperature ili irradijanse. Brojaci mogu biti analogni ili digitalni, ovisno o vrsti prikaza i točnosti koja je potrebna. Analogni brojaci koriste igle ili kazaljke da prikazuju vrijednosti, dok digitalni brojaci koriste brojeve ili grafove da prikazuju vrijednosti.
Kabeli: To su žice koje prenose električnu energiju između različitih komponenti sustava. Kabeli se mogu podijeliti u dvije vrste: DC kabeli i AC kabeli. DC kabeli nosile izravni struj od solarnih modula do invertera ili baterija, dok AC kabeli nosile alternativni struj od invertera do mreže ili opterećenja.
Raspored fotovoltaičke elektrane ovisi o nekoliko faktora, poput uvjeta lokacije, veličine sustava, ciljeva dizajna i zahtjeva mreže. Međutim, tipični raspored sastoji se od tri glavna dijela: dio generacije, dio prijenosa i dio distribucije.
Dio generacije uključuje solarni module, konstrukcije za montiranje i invertere koji proizvode električnu energiju iz sunčeve svjetlosti.
Dio prijenosa uključuje kabel, prekidače i brojace koji prenose električnu energiju s dijela generacije na dijel distribucije.
Dio distribucije uključuje baterije, uređaje za regulaciju naboja i opterećenja koji pohranjuju ili potroše električnu energiju.
Sljedeći dijagram prikazuje primjer rasporeda fotovoltaičke elektrane:
Rad fotovoltaičke elektrane ovisi o nekoliko faktora, poput vremenskih uvjeta, zahtjeva za opterećenjem i statusa mreže. Međutim, tipični rad sastoji se od tri glavna moda: mod punjenja, mod ispunjenja i mod vezanja na mrežu.
Mod punjenja nastupa kada postoji prekomjerna sunčeva svjetlost i niska potražnja za opterećenjem. U ovom modu, solarni moduli generiraju više električne energije nego što je potrebno za opterećenje. Prekomjerna električna energija koristi se za punjenje baterija putem regulatora naboja.
Mod ispunjenja nastupa kada nema sunca ili kada je visoka potražnja za opterećenjem. U ovom modu, solarni moduli generiraju manje električne energije nego što je potrebno za opterećenje. Deficit električne energije dostavlja se baterijama putem invertera.
Mod vezanja na mrežu nastupa kada je dostupna mreža i povoljni tarifni uvjeti. U ovom modu, solarni moduli generiraju električnu energiju koja se može unijeti u mrežu putem invertera.
Mod vezanja na mrežu može se dogoditi i kada dođe do prekida mreže, a potreban je rezervni izvor energije. U ovom modu, solarni moduli generiraju električnu energiju koju se može koristiti za opterećenje putem invertera.
Što je koncentrirana solarna elektrana?
Koncentrirana solarna elektrana je veliki CSP sustav koji koristi ogledala ili sočive kako bi koncentrirao sunčevu svjetlost na prijemnik koji zagrijava fluid koji pokreće turbinu ili motor kako bi proizveo električnu energiju. Koncentrirana solarna elektrana sastoji se od nekoliko komponenti, poput:
Zbirni uređaji: To su uređaji koji reflektiraju ili refraktiraju sunčevu svjetlost na prijemnik. Zbirni uređaji se mogu podijeliti u četiri vrste: parabolični kanali, parabolični tanjuri, linearne Fresnelove reflektor i centralni prijemnici. Parabolični kanali su zakrivljena ogledala koja fokusiraju sunčevu svjetlost na linearni prijemni cev koji prolazi uz njihovu fokalnu liniju. Parabolični tanjuri su konkavna ogledala koja fokusiraju sunčevu svjetlost na točni prijemnik na njihovoj fokalnoj točki. Linearne Fresnelove reflektor su ravna ogledala koja reflektiraju sunčevu svjetlost na linearni prijemni cev iznad njih. Centralni prijemnici su tornjevi okruženi nizom ravnih ogledala, poznatih kao heliostati, koja reflektiraju sunčevu svjetlost na točni prijemnik na njihovom vrhu.
Prijemnici: To su uređaji koji apsorbiraju koncentriranu sunčevu svjetlost i prenose je na fluid za prijenos toplote (HTF). Prijemnici se mogu podijeliti u dvije vrste: vanjski prijemnici i unutarnji prijemnici. Vanjski prijemnici su izloženi atmosferi i imaju visoke gubitke toplote zbog konvekcije i radijacije. Unutarnji prijemnici su zatvoreni u vakuumskoj komori i imaju niske gubitke toplote zbog izolacije i evakuacije.
Fluidi za prijenos toplote: To su fluidi koji cirkuliraju kroz prijemnike i transportiraju toplinu od zbirnih uređaja do energetskog bloka. Fluidi za prijenos toplote se mogu podijeliti u dvije vrste: termalni fluidi i tali lijevi soli. Termalni fluidi su organski tečnosti, poput sintetskih ulja ili ugljikovodika, koji imaju visoku temperaturu varljavosti i nisku temperaturu zamrzavanja. Tali lijevi soli su anorganski spojevi, poput natrijevog nitrat ili kalijevog nitrat, koji imaju visoku kapacitet toplote i niski tlak para.
Energetski blok: To je mjesto gdje se električna energija generira iz topline korištenjem turbine ili motora spojenog s generatorom. Energetski blok se može podijeliti u dvije vrste: parni ciklus i Braytonov ciklus. Parni ciklus koristi vodu kao HTF i proizvodi par koji pokreće parnu turbinu spojenu s električnim generatorom. Braytonov ciklus koristi zrak kao HTF i proizvodi topli zrak koji pokreće plinsku turbinu spojenu s električnim generatorom.
