Zonnecentrales: Soorten componenten en werkingsprincipes

Zonnepanelen zijn systemen die zonne-energie gebruiken om elektriciteit te genereren. Ze kunnen worden ingedeeld in twee hoofdtypen: fotovoltaïsche (PV) energiecentrales en geconcentreerde zonnestroom (CSP) centrales. Fotovoltaïsche energiecentrales zetten zonlicht direct om in elektriciteit met behulp van zonnecellen, terwijl geconcentreerde zonnestroomcentrales spiegels of lenzen gebruiken om zonlicht te bundelen en een vloeistof te verhitten die een turbine of motor aandrijft. In dit artikel leggen we de componenten, indeling en werking van beide soorten zonnepanelencentrales uit, evenals hun voordelen en nadelen.

Wat is een fotovoltaïsche energiecentrale?

Een fotovoltaïsche energiecentrale is een grootschalig PV-systeem dat is aangesloten op het netwerk en ontworpen om bulk-elektrische energie te produceren uit zonne-energie. Een fotovoltaïsche energiecentrale bestaat uit verschillende componenten, zoals:

• Zonnepanelen: Dit zijn de basiseenheden van een PV-systeem. Ze bestaan uit zonnecellen die licht omzetten in elektriciteit. Zonnecellen zijn meestal gemaakt van silicium, een halfgeleider die fotonen kan absorberen en elektronen kan vrijlaten. De elektronen stromen door het circuit en creëren een elektrische stroom. Zonnepanelen kunnen in verschillende configuraties worden gerangschikt, zoals serie, parallel of serie-parallel, afhankelijk van de spanning en stroomvereisten van het systeem.

• Montageconstructies: Dit zijn de frames of rekken die de zonnepanelen ondersteunen en oriënteren. Ze kunnen vast of verstelbaar zijn, afhankelijk van de locatie en klimaat van de site. Vaste montageconstructies zijn goedkoper en eenvoudiger, maar ze volgen niet de beweging van de zon en kunnen de uitvoer van het systeem verminderen. Verstelbare montageconstructies kunnen de zonnepanelen kantelen of roteren om de positie van de zon te volgen en de energieproductie te optimaliseren. Ze kunnen handmatig of automatisch zijn, afhankelijk van het gewenste mate van controle en nauwkeurigheid.

• Inverters: Dit zijn apparaten die de gelijkstroom (DC) geproduceerd door de zonnepanelen omzetten in wisselstroom (AC) die in het netwerk kan worden ingevoerd of gebruikt door AC-loads.

  

• Inverters kunnen worden ingedeeld in twee typen: centrale inverters en micro-inverters. Centrale inverters zijn grote eenheden die meerdere zonnepanelen of -arrays verbinden en een enkele AC-uitvoer leveren. Micro-inverters zijn kleine eenheden die elk zonnepaneel of -paneel verbinden en individuele AC-uitvoer leveren. Centrale inverters zijn kosten-effectiever en efficiënter voor grootschalige systemen, terwijl micro-inverters flexibeler en betrouwbaarder zijn voor kleinschalige systemen.

• Laadregelaars: Dit zijn apparaten die de spanning en stroom van de zonnepanelen of -arrays reguleren om overladen of over-ontladen van de batterijen te voorkomen. Laadregelaars kunnen worden ingedeeld in twee typen: pulswidtemodulatie (PWM) regelaars en maximum power point tracking (MPPT) regelaars. PWM-regelaars zijn eenvoudiger en goedkoper, maar ze verspillen enige energie door de laadstroom aan en uit te schakelen. MPPT-regelaars zijn complexer en duurder, maar ze optimaliseren de energieopbrengst door de spanning en stroom aan te passen om overeen te komen met het maximale power point van de zonnepanelen of -arrays.

• Batterijen: Dit zijn apparaten die overtollige elektriciteit opslaan die door de zonnepanelen of -arrays wordt gegenereerd, voor later gebruik wanneer er geen zonlicht is of wanneer het netwerk is uitgevallen. Batterijen kunnen worden ingedeeld in twee typen: lood-acid batterijen en lithium-ion batterijen. Lood-acid batterijen zijn goedkoper en meer wijdverspreid, maar hebben een lagere energiedichtheid, kortere levensduur en vereisen meer onderhoud. Lithium-ion batterijen zijn duurder en minder algemeen, maar hebben een hogere energiedichtheid, langere levensduur en vereisen minder onderhoud.

• Schakelaars: Dit zijn apparaten die verschillende delen van het systeem verbinden of loskoppelen, zoals zonnepanelen, inverters, batterijen, belastingen of netwerken. Schakelaars kunnen handmatig of automatisch zijn, afhankelijk van het gewenste niveau van veiligheid en controle. Handmatige schakelaars vereisen menselijke interventie om ze te bedienen, terwijl automatische schakelaars werken op basis van vooraf gedefinieerde voorwaarden of signalen.

• Meters: Dit zijn apparaten die verschillende parameters van het systeem meten en weergeven, zoals spanning, stroom, vermogen, energie, temperatuur of straling. Meters kunnen analog of digitaal zijn, afhankelijk van het type weergave en de gewenste nauwkeurigheid. Analog meters gebruiken naalden of wijzers om waarden weer te geven, terwijl digitale meters cijfers of grafieken gebruiken om waarden weer te geven.

• Kabels: Dit zijn draden die elektriciteit tussen verschillende componenten van het systeem overbrengen. Kabels kunnen worden ingedeeld in twee typen: DC-kabels en AC-kabels. DC-kabels dragen gelijkstroom van de zonnepanelen naar de inverters of batterijen, terwijl AC-kabels wisselstroom dragen van de inverters naar het netwerk of belastingen.

De indeling van een fotovoltaïsche energiecentrale hangt af van verschillende factoren, zoals sitecondities, systeemgrootte, ontwerpdoelstellingen en netwerkvereisten. Echter, een typische indeling bestaat uit drie hoofdonderdelen: generatiegedeelte, transmissiegedeelte en distributiegedeelte.

Het generatiegedeelte omvat zonnepanelen, montageconstructies en inverters die elektriciteit produceren uit zonlicht.

Het transmissiegedeelte omvat de kabels, schakelaars en meters die elektriciteit van het generatiegedeelte naar het distributiegedeelte overbrengen.

Het distributiegedeelte omvat de batterijen, laadregelaars en belastingen die elektriciteit opslaan of consumeren.

De volgende diagram toont een voorbeeld van de indeling van een fotovoltaïsche energiecentrale:

De werking van een fotovoltaïsche energiecentrale hangt af van verschillende factoren, zoals weersomstandigheden, belastingsvraag en nettoestand. Echter, een typische werking bestaat uit drie hoofdbesturingen: oplademodus, ontlademodus en grid-tie modus.

De oplademodus vindt plaats wanneer er overmatig zonlicht is en lage belastingsvraag. In deze modus genereren de zonnepanelen meer elektriciteit dan nodig is voor de belastingen. De overtollige elektriciteit wordt gebruikt om de batterijen via de laadregelaars op te laden.

De ontlademodus vindt plaats wanneer er geen zonlicht is of hoge belastingsvraag. In deze modus genereren de zonnepanelen minder elektriciteit dan nodig is voor de belastingen. Het tekort aan elektriciteit wordt geleverd door de batterijen via de inverters.

De grid-tie modus vindt plaats wanneer er netwerkbeschikbaarheid is en gunstige tarieven. In deze modus genereren de zonnepanelen elektriciteit die via de inverters in het netwerk kan worden ingevoerd.

De grid-tie modus kan ook optreden wanneer er een netuitval is en noodvermogen nodig is. In deze modus genereren de zonnepanelen elektriciteit die door de belastingen kan worden gebruikt via de inverters.

Wat is een geconcentreerde zonnestroomcentrale?

Een geconcentreerde zonnestroomcentrale is een grootschalig CSP-systeem dat spiegels of lenzen gebruikt om zonlicht te bundelen op een ontvanger die een vloeistof verhit die een turbine of motor aandrijft om elektriciteit te genereren. Een geconcentreerde zonnestroomcentrale bestaat uit verschillende componenten, zoals:

• Collectoren: Dit zijn apparaten die zonlicht reflecteren of breken op een ontvanger. Collectoren kunnen worden ingedeeld in vier typen: parabolische troggen, parabolische schotels, lineaire Fresnel-reflectoren en centrale ontvangers. Parabolische troggen zijn gekromde spiegels die zonlicht focussen op een lineaire ontvangerbuizen die langs hun brandpuntslijn lopen. Parabolische schotels zijn holle spiegels die zonlicht focussen op een puntontvanger op hun brandpunt. Lineaire Fresnel-reflectoren zijn platte spiegels die zonlicht reflecteren op een lineaire ontvangerbuizen boven hen. Centrale ontvangers zijn torens omringd door een array van platte spiegels genaamd heliostats die zonlicht reflecteren op een puntontvanger op hun top.

• Ontvangers: Dit zijn apparaten die gebundeld zonlicht absorberen en overdragen aan een warmteoverdrachtvloeistof (HTF). Ontvangers kunnen worden ingedeeld in twee typen: externe ontvangers en interne ontvangers. Externe ontvangers zijn blootgesteld aan de atmosfeer en hebben hoge warmteverliezen door convectie en straling. Interne ontvangers zijn opgesloten in een vacuümruimte en hebben lage warmteverliezen door isolatie en evacuatie.

• Warmteoverdrachtvloeistoffen: Dit zijn vloeistoffen die door de ontvangers circuleren en warmte vervoeren van de collectoren naar de krachtblok. Warmteoverdrachtvloeistoffen kunnen worden ingedeeld in twee typen: thermische vloeistoffen en gesmolten zout. Thermische vloeistoffen zijn organische vloeistoffen zoals synthetische oliën of koolwaterstoffen die hoge kookpunten en lage vriespunten hebben. Gesmolten zout zijn anorganische verbindingen zoals natriumnitraat of kaliumnitraat die een hoge warmtecapaciteit en lage dampdruk hebben.

• Krachtblok: Hier wordt elektriciteit gegenereerd uit warmte met behulp van een turbine of motor gekoppeld aan een generator. Krachtblok kan worden ingedeeld in twee typen: stoomcyclus en Brayton-cyclus. De stoomcyclus gebruikt water als HTF en produceert stoom die een stoomturbine aandrijft die is verbonden met een elektrische generator. De Brayton-cyclus gebruikt lucht als HTF en produceert hete lucht die een gasturbine aandrijft die is verbonden met een elektrische generator.

• Opslagstelsel: Hier wordt overtollige warmte opgeslagen voor later gebruik wanneer er geen zonlicht is of wanneer er hoge belastingsvraag is. Opslagstelsels kunnen worden ingedeeld in twee typen: sensibele warmteopslag en latente warmteopslag. Sensibele warmteopslag gebruikt materialen zoals rotsen, water of gesmolten zout die warmte opslaan door hun temperatuur te verhogen zonder hun fase te veranderen. Latente warmteopslag gebruikt materialen zoals fase-overgangsmaterialen (PCMs) of thermochemische materialen (TCMs) die warmte opslaan door hun fase of chemische toestand te veranderen zonder hun temperatuur te veranderen.

De indeling van een geconcentreerde zonnestroomcentrale hangt af van verschillende factoren, zoals sitecondities, systeemgrootte, ontwerpdoelstellingen en netwerkvereisten. Echter, een typische indeling bestaat uit drie hoofdonderdelen: verzamelveld, krachtblok en opslagsysteem.