Napelemes telepek: Típusok, alkotóelemek és működési elvek

A napelemi erőművek olyan rendszerek, amelyek napenergiát használnak elektromos energiára bontáshoz. Két fő típusba oszthatók: fotovoltaikus (PV) erőművek és koncentráló napelemerőművek (CSP). A fotovoltaikus erőművek közvetlenül napfényt alakítanak át elektromossággá napelemelemek segítségével, míg a koncentráló napelemerőművek tükröket vagy lencseket használnak a napfény koncentrálására, és egy folyadékot melegítenek, ami vezényli a turbínát vagy a motort. Ebben a cikkben kifejezzük mindkét típusú napelemerőmű összetevőit, elrendezését, működését, valamint előnyeit és hátrányait.

Mi a fotovoltaikus erőmű?

A fotovoltaikus erőmű egy nagy léptékű PV rendszer, amely hálózatra van kapcsolva, és nagy mennyiségű elektromos energiát termel napfényből. A fotovoltaikus erőmű több összetevőből áll, mint például:

• Napelemek: Ezek a PV rendszer alapjai. Napelemelemekből állnak, amelyek fényt átalakítanak elektromossággá. A napelemelemek általában szilíciumból készülnek, ami egy fémes anyag, amely fotonokat absorál és elektronokat szabadít ki. Az elektronok áramkörön keresztül haladnak, és elektromos áramot hoznak létre. A napelemek különböző konfigurációkban lehetnek elrendezve, például sorban, párhuzamosan vagy sor-párhuzamosan, attól függően, hogy a rendszer milyen feszültséget és áramot igényel.

• Rákeresztök: Ezek a keretek vagy rácson, amelyek támogatják és orientálják a napelemeket. Rögzítettek vagy beállíthatók lehetnek, attól függően, hogy a hely és az éghajlat milyen. A rögzített rákeresztök olcsóbbak és egyszerűbbek, de nem követik a nap mozgását, és csökkenthetik a rendszer teljesítményét. A beállítható rákeresztök döntik vagy forgatják a napelemeket, hogy kövessék a nap pozícióját, és optimalizálják az energia-termelést. Manuálisak vagy automatikusak lehetnek, attól függően, hogy milyen szabályozást és pontosságot igényelnek.

• Inverzorok: Ezek eszközök, amelyek a napelemek által termelt egyirányú áramot (DC) átalakítják váltakozó árammá (AC), amelyet a hálózatra vagy AC terhelésekre lehet használni.

  

• Az inverzorok két típusba oszthatók: központi inverzorok és mikroinverzorok. A központi inverzorok nagy egységek, amelyek több napelemhez vagy tömbhöz kapcsolódnak, és egyetlen AC kimenetet nyújtanak. A mikroinverzorok kisebb egységek, amelyek mindegyik napelemhez vagy panelehez kapcsolódnak, és egyéni AC kimeneteket nyújtanak. A központi inverzorok hatékonyabbak és hatékonyabbak a nagy léptékű rendszerekhez, míg a mikroinverzorok rugalmasabbak és megbízhatóbbak a kis léptékű rendszerekhez.

• Tölthetőség-szabályozók: Ezek eszközök, amelyek szabályozzák a napelemek vagy tömbök feszültségét és áramát, hogy megakadályozzák a bateriák túltöltését vagy túlsugárzását. A tölthetőség-szabályozók két típusba oszthatók: impulzusszélesség-modulációs (PWM) szabályozók és maximális teljesítményi pont követő (MPPT) szabályozók. A PWM szabályozók egyszerűbbek és olcsóbbak, de némi energiát veszítenek, mivel a töltési áramot be- és kikapcsolják. Az MPPT szabályozók bonyolultabbak és drágábbak, de optimalizálják az energiakimenetet, ahol a feszültséget és az áramot a napelemek vagy tömbök maximális teljesítményi pontjához igazítják.

• Bateriák: Ezek eszközök, amelyek tárolják a napelemek vagy tömbök által generált felesleges elektromosságot, hogy később használhassák, ha nincs napfény, vagy ha a hálózat leáll. A bateriák két típusba oszthatók: ólom-acid bateriák és litium-ion bateriák. Az ólom-acid bateriák olcsóbbak és szélesebb körben használtak, de alacsonyabb energiasűrűségük, rövidebb élettartama, és több karbantartást igényelnek. A litium-ion bateriák drágábbak és kevésbé gyakoriak, de magasabb energiasűrűségük, hosszabb élettartama, és kevesebb karbantartást igényelnek.

• Kapcsolók: Ezek eszközök, amelyek különböző részeket kapcsolnak vagy szakítanak, például napelemeket, inverzorokat, bateriákat, terheléseket vagy hálózatokat. A kapcsolók manuálisak vagy automatikusak lehetnek, attól függően, hogy milyen szintű biztonság és irányítás szükséges. A manuális kapcsolók emberi beavatkozást igényelnek, míg az automatikus kapcsolók előre meghatározott feltételek vagy jelzések alapján működnek.

• Mérők: Ezek eszközök, amelyek mérnek és megjelenítik a rendszer különböző paramétereit, például a feszültséget, az áramot, a teljesítményt, az energiát, a hőmérsékletet vagy a sugárzást. A mérők analóg vagy digitálisak lehetnek, attól függően, hogy milyen típusú kijelzőt és pontosságot igényelnek. Az analóg mérők szerszámpapírt vagy skálát használnak értékek megjelenítésére, míg a digitális mérők számokat vagy grafikonokat használnak értékek megjelenítésére.

• Kábelek: Ezek a drótok, amelyek átviszik az áramot a rendszer különböző komponensei között. A kábelek két típusba oszthatók: DC kábelek és AC kábelek. A DC kábelek egyirányú áramot visznek a napelemektől az inverzorokig vagy a bateriákig, míg az AC kábelek váltakozó áramot visznek az inverzoroktól a hálózatra vagy a terhelésekre.

Egy fotovoltaikus erőmű elrendezése függ számos tényezőtől, mint például a helyfeltételek, a rendszer mérete, a tervezési célok és a hálózati követelmények. Ugyanakkor egy tipikus elrendezés három fő részből áll: generáló rész, továbbító rész és elosztó rész.

A generáló rész tartalmazza a napelemeket, a rákeresztöket és az inverzorokat, amelyek elektromosságot termelnek a napfényből.

A továbbító rész tartalmazza a kábeleket, a kapcsolókat és a mérőket, amelyek átviszik az áramot a generáló résztől az elosztó részhez.

Az elosztó rész tartalmazza a bateriákat, a tölthetőség-szabályozókat és a terheléseket, amelyek tárolják vagy felhasználják az áramot.

A következő diagram mutatja a fotovoltaikus erőmű elrendezésének példáját:

Egy fotovoltaikus erőmű működése függ számos tényezőtől, mint például az időjárási feltételek, a terhelési igény és a hálózati állapot. Ugyanakkor a tipikus működés három fő módra osztható: töltési mód, üresítési mód és hálózattal összekötő mód.

A töltési mód akkor fordul elő, ha van felesleges napfény és alacsony terhelési igény. Ebben a módban a napelemek több elektromosságot termelnek, mint amennyire a terheléseknek szükségük van. A felesleges elektromosság a bateriákat tölti a tölthetőség-szabályozók révén.

Az üresítési mód akkor fordul elő, ha nincs napfény vagy magas terhelési igény. Ebben a módban a napelemek kevesebb elektromosságot termelnek, mint amennyire a terheléseknek szükségük van. A hiányzó elektromosságot a bateriák adja az inverzorok révén.

A hálózattal összekötő mód akkor fordul elő, ha van hálózati rendelkezésre állás és kedvező tarifaszabályzat. Ebben a módban a napelemek elektromosságot termelnek, amelyet az inverzorok révén a hálózatra lehet utalni.

A hálózattal összekötő mód akkor is előfordulhat, ha van hálózati kimaradás, és szükség van hálózati mentésre. Ebben a módban a napelemek elektromosságot termelnek, amelyet a terhelések az inverzorok révén felhasználhatnak.

Mi a koncentráló napelemerőmű?

A koncentráló napelemerőmű egy nagy léptékű CSP rendszer, amely tükröket vagy lencseket használ a napfény koncentrálására, és egy fogadót, amely egy folyadékot melegít, amely vezényli a turbínát vagy a motort, hogy elektromosságot termeljen. A koncentráló napelemerőmű több összetevőből áll, mint például:

• Gyűjtők: Ezek eszközök, amelyek visszapattannak vagy törnének a napfényt egy fogadóra. A gyűjtők négy típusba oszthatók: parabolikus síkok, parabolikus tányérok, lineáris Fresnel-tükrök és központi fogadók. A parabolikus síkok görbült tükrök, amelyek a napfényt koncentrálják egy lineáris fogadócsőre, amely a fókuszvonalukon fut. A parabolikus tányérok konkáv tükrök, amelyek a napfényt koncentrálják egy pontfogadóra a fókuszpontjukban. A lineáris Fresnel-tükrök lapos tükrök, amelyek a napfényt visszapattannak egy lineáris fogadócsőre felettük. A központi fogadók tornyok, amelyeket egy lapos tükrök sora, a heliostatok, körülveszik, amelyek a napfényt visszapattannak egy pontfogadóra a tornyuk tetején.

• Fogadók: Ezek eszközök, amelyek koncentrált napfényt absorbálnak, és átadják a hőátviteli folyadékhoz (HTF). A fogadók két típusba oszthatók: külső fogadók és belső fogadók. A külső fogadók kitettek a légkörnek, és nagy hőveszteségekkel küzdenek konvekció és sugárzás miatt. A belső fogadók zárt vakuumkamerában vannak, és alacsony hőveszteségekkel bírnak izoláció és evacuálás miatt.

• Tipp