Solstrømverk: Typer komponenter og arbeidsprinsipper

Solcelleanlegg er systemer som bruker solenergi for å generere elektrisitet. De kan deles inn i to hovedtyper: fotovoltaiske (PV) kraftverk og koncentrerte solkraftverk (CSP). Fotovoltaiske kraftverk konverterer direkte sollys til elektrisitet ved hjelp av solceller, mens koncentrerte solkraftverk bruker speil eller linser for å konsentrere sollys og varme en væske som driver en turbine eller motor. I denne artikkelen vil vi forklare komponentene, oppsettet og drifta av begge typer solkraftverk, samt deres fordeler og ulemper.

Hva er et fotovoltaisk kraftverk?

Et fotovoltaisk kraftverk er et stort PV-system som er koblet til nettet og utformet for å produsere bulk elektrisk energi fra solstråling. Et fotovoltaisk kraftverk består av flere komponenter, som:

• Solmoduler: Dette er de grunnleggende enhetene i et PV-system. De består av solceller som konverterer lys til elektrisitet. Solceller er vanligvis laget av silisium, som er et halvledermateriale som kan absorbere fotoner og slippe elektroner. Elektronene strømmer gjennom kretsen og skaper en elektrisk strøm. Solmoduler kan plasseres i ulike konfigurasjoner, som serie, parallelle, eller serie-parallell, avhengig av systemets spenning og strømforskrifter.

• Montasjestrukturer: Dette er rammer eller rekker som støtter og orienterer solmodulene. De kan være faste eller justerbare, avhengig av lokasjonens og klimaforholdenes plass. Faste monteringsstruksturer er billigere og enklere, men de følger ikke solens bevegelse og kan redusere systemets utbytte. Justerbare monteringsstruksturer kan tylte eller rotere solmodulene for å følge solens posisjon og optimere energiproduksjonen. De kan være manuelle eller automatiske, avhengig av kontrollens grad og nødvendig nøyaktighet.

• Invertere: Dette er enheter som konverterer den direkte strømmen (DC) som produseres av solmodulene til vekselstrøm (AC) som kan matas inn i nettet eller brukes av AC-laster.

  

• Invertere kan deles inn i to typer: sentrale invertere og mikroinvertere. Sentrale invertere er store enheter som kobler flere solmoduler eller arrayer og gir ett enkelt AC-utdata. Mikroinvertere er små enheter som kobler hver solmodul eller panel og gir individuelle AC-utdata. Sentrale invertere er mer kostnadseffektive og effektive for store systemer, mens mikroinvertere er mer fleksible og pålitelige for små systemer.

• Ladestyrere: Dette er enheter som regulerer spenningen og strømmen av solmodulene eller arrayene for å forhindre overladning eller over-ladeing av batteriene. Ladestyrere kan deles inn i to typer: pulsbredde-modulasjon (PWM) styrere og maksimal effektpunkt-sporing (MPPT) styrere. PWM-styrere er enklere og billigere, men de sløser litt energi ved å skifte på og av ladestrømmen. MPPT-styrere er mer komplekse og dyre, men de optimiserer energiutbyttet ved å justere spenningen og strømmen for å matche det maksimale effektpunktet til solmodulene eller arrayene.

• Batterier: Dette er enheter som lagrer overskuddselktrisitet generert av solmodulene eller arrayene for senere bruk når det ikke er sollys eller når nettet er nede. Batterier kan deles inn i to typer: blysyre-batterier og litium-ion-batterier. Blysyre-batterier er billigere og mer vanlige, men de har lavere energitette, kortere levetid, og krever mer vedlikehold. Litium-ion-batterier er mer dyr og mindre vanlige, men de har høyere energitette, lengre levetid, og krever mindre vedlikehold.

• Brytere: Dette er enheter som kobler eller frakobler forskjellige deler av systemet, som solmoduler, invertere, batterier, laster, eller netter. Brytere kan være manuelle eller automatiske, avhengig av sikkerhetsnivået og kontrollen som trengs. Manuelle brytere krever menneskelig inngrep for å operere dem, mens automatiske brytere opererer basert på forhåndsdefinerte betingelser eller signaler.

• Målere: Dette er enheter som måler og viser ulike parametere i systemet, som spenning, strøm, effekt, energi, temperatur, eller stråling. Målere kan være analoge eller digitale, avhengig av typen visning og nødvendig nøyaktighet. Analoge målere bruker nåler eller visere for å vise verdier, mens digitale målere bruker tall eller grafer for å vise verdier.

• Kabler: Dette er ledninger som overfører elektrisitet mellom ulike komponenter i systemet. Kabler kan deles inn i to typer: DC-kabler og AC-kabler. DC-kabler bærer direkte strøm fra solmodulene til inverterne eller batteriene, mens AC-kabler bærer vekselspenning fra inverterne til nettet eller laster.

Oppsettet av et fotovoltaisk kraftverk avhenger av flere faktorer, som lokalitetsforhold, systemstørrelse, designmål, og nettetterspurder. Imidlertid består et typisk oppsett av tre hoveddeler: produksjonsdel, overføringsdel, og distribusjonsdel.

Produksjonsdelen inkluderer solmoduler, monteringsstruksturer, og invertere som produserer elektrisitet fra sollys.

Overføringsdelen inkluderer kablene, bryterne, og målerne som overfører elektrisitet fra produksjonsdelen til distribusjonsdelen.

Distribusjonsdelen inkluderer batteriene, ladestyrerne, og lastene som lagrer eller forbruker elektrisitet.

Følgende diagram viser et eksempel på et fotovoltaisk kraftverksoppsett:

Driften av et fotovoltaisk kraftverk avhenger av flere faktorer, som værforhold, lastebelastning, og nettstatus. Imidlertid består en typisk drift av tre hovedmoduser: lademodus, tomtemodus, og netttilknytningsmodus.

Lademodus forekommer når det er overskudd av sollys og lav lastebelastning. I denne modusen genererer solmodulene mer elektrisitet enn det som trengs av lastene. Det overskytende elektrisitet brukes til å lade batteriene gjennom ladestyrerne.

Tomtemodus forekommer når det ikke er sollys eller høy lastebelastning. I denne modusen genererer solmodulene mindre elektrisitet enn det som trengs av lastene. Det manglende elektrisitet leveres av batteriene gjennom inverterne.

Netttilknytningsmodus forekommer når det er netttilgjengelighet og gunstige tariffer. I denne modusen genererer solmodulene elektrisitet som kan matas inn i nettet gjennom inverterne.

Netttilknytningsmodus kan også forekomme når det er en nettavbrudd, og backup-strøm er nødvendig. I denne modusen genererer solmodulene elektrisitet som kan brukes av lastene gjennom inverterne.

Hva er et koncentrert solkraftverk?

Et koncentrert solkraftverk er et stort CSP-system som bruker speil eller linser for å konsentrere sollys på en mottaker som varmer en væske som driver en turbine eller motor for å generere elektrisitet. Et koncentrert solkraftverk består av flere komponenter, som:

• Samler: Dette er enheter som reflekterer eller refrakterer sollys på en mottaker. Samlere kan deles inn i fire typer: parabolske trøffer, parabolske tallerkner, lineære Fresnel-reflektorer og sentrale mottakere. Parabolske trøffer er buede speil som fokuserer sollys på en lineær mottaker-rør som løper langs deres fokallinje. Parabolske tallerkner er konkave speil som fokuserer sollys på en punktmottaker ved deres fokuspunkt. Lineære Fresnel-reflektorer er flate speil som reflekterer sollys på en lineær mottaker-rør over dem. Sentrale mottakere er tårn omgitt av et sett med flate speil kalt heliostater som reflekterer sollys på en punktmottaker på toppen av tårnet.

• Mottakere: Dette er enheter som absorberer konsentrert sollys og overfører det til en varmeoverføringsvæske (HTF). Mottakere kan deles inn i to typer: eksterne mottakere og interne mottakere. Eksterne mottakere er utsatt for atmosfæren og har høye varmetap på grunn av konveksjon og stråling. Interne mottakere er lukket i en vakuumkammer og har lave varmetap på grunn av isolering og evakuering.

• Varmeverkningsvæsker: Dette er væsker som sirkulerer gjennom mottakerne og transporterer varme fra samlerne til kraftblokken. Varmeverkningsvæsker kan deles inn i to typer: termiske væsker og smeltede salter. Termiske væsker er organiske væsker som syntetiske olier eller kjemikalier med høye kokpunkter og lave frysepunkter. Smeltede salter er anorganiske forbindelser som natriumnitrat eller kaliumnitrat med høy varmekapasitet og lav damptrykk.

• Kraftblokk: Dette er hvor elektrisitet genereres fra varme ved hjelp av en turbine eller motor koblet til en generator. Kraftblokk kan deles inn i to typer: dampcyklus og Brayton-cyklus. Dampcyklus bruker vann som HTF og produserer damp som driver en damp-turbine koblet til en elektrisk generator. Brayton-cyklus bruker luft som HTF og produserer varm luft som driver en gass-turbine koblet til en elektrisk generator.

• Lagringsystem: Dette er hvor overskuddsvarme lagres for senere bruk når det ikke er sollys eller når det er høy lastebelastning. Lagringssystemer kan deles inn i to typer: sensibel varmelagring og latent varmelagring. Sensibel varmelagring bruker materialer som steiner, vann eller smeltede salter som lagrer varme ved å øke deres temperatur uten å endre deres fase. Latent varmelagring bruker materialer som fasenormalmateriale (PCMs) eller termokjemiske materialer (TCMs) som lagrer varme ved å endre deres fase eller kjemiske tilstand uten å endre deres temperatur.

Oppsettet av et koncentrert solkraftverk avhenger av flere faktorer, som lokalitetsforhold, systemstørrelse, designmål, og nettetterspurder. Imidlertid består et typisk oppsett av tre hoveddeler: samlingsfelt, kraftblokk, og lagringssystem.

Samlingsfeltet inkluderer samlerne, mottakerne, og HTF-ene som samler og transporterer varme fra sollys.