Солнечные электростанции: типы компоненты и принципы работы

Солнечные электростанции — это системы, которые используют солнечную энергию для выработки электроэнергии. Они могут быть разделены на два основных типа: фотоэлектрические (ФЭ) электростанции и концентрирующие солнечные электростанции (КСЭ). Фотоэлектрические электростанции преобразуют солнечный свет напрямую в электроэнергию с помощью солнечных элементов, в то время как концентрирующие солнечные электростанции используют зеркала или линзы, чтобы сконцентрировать солнечный свет и нагреть жидкость, которая приводит в действие турбину или двигатель. В этой статье мы объясним компоненты, расположение и работу обоих типов солнечных электростанций, а также их преимущества и недостатки.

Что такое фотоэлектрическая электростанция?

Фотоэлектрическая электростанция — это крупномасштабная ФЭ система, подключенная к сети и предназначенная для производства электроэнергии из солнечного излучения. Фотоэлектрическая электростанция состоит из нескольких компонентов, таких как:

• Солнечные модули: Это базовые единицы ФЭ системы. Они состоят из солнечных элементов, которые преобразуют свет в электроэнергию. Солнечные элементы обычно изготовлены из кремния, который является полупроводниковым материалом, способным поглощать фотоны и высвобождать электроны. Электроны текут по цепи и создают электрический ток. Солнечные модули можно устроить в различных конфигурациях, таких как последовательно, параллельно или последовательно-параллельно, в зависимости от требований к напряжению и току системы.

• Монтажные конструкции: Это рамы или стойки, которые поддерживают и ориентируют солнечные модули. Они могут быть фиксированными или регулируемыми, в зависимости от местоположения и климата объекта. Фиксированные монтажные конструкции дешевле и проще, но они не следят за движением солнца и могут снижать выход системы. Регулируемые монтажные конструкции могут наклонять или вращать солнечные модули, чтобы следовать за положением солнца и оптимизировать производство энергии. Они могут быть ручными или автоматическими, в зависимости от степени контроля и точности, необходимых для работы.

• Инверторы: Это устройства, которые преобразуют постоянный ток (DC), производимый солнечными модулями, в переменный ток (AC), который может быть подан в сеть или использован нагрузками, работающими на переменном токе.

  

• Инверторы можно классифицировать на два типа: центральные инверторы и микроразмерные инверторы. Центральные инверторы — это большие устройства, которые подключаются к нескольким солнечным модулям или массивам и обеспечивают единственный выход переменного тока. Микроразмерные инверторы — это маленькие устройства, которые подключаются к каждому солнечному модулю или панели и обеспечивают индивидуальные выходы переменного тока. Центральные инверторы более экономически эффективны и эффективны для крупномасштабных систем, в то время как микроразмерные инверторы более гибки и надежны для маломасштабных систем.

• Зарядные контроллеры: Это устройства, которые регулируют напряжение и ток солнечных модулей или массивов, чтобы предотвратить перезарядку или разряд аккумуляторов. Зарядные контроллеры можно классифицировать на два типа: контроллеры широтно-импульсной модуляции (ШИМ) и контроллеры максимальной точки мощности (МТМ). Контроллеры ШИМ проще и дешевле, но они теряют некоторую энергию, переключая зарядный ток в режим включения и выключения. Контроллеры МТМ более сложны и дороги, но они оптимизируют выход энергии, регулируя напряжение и ток, чтобы соответствовать максимальной точке мощности солнечных модулей или массивов.

• Аккумуляторы: Это устройства, которые хранят избыток электроэнергии, произведенной солнечными модулями или массивами, для использования в случае отсутствия солнечного света или при отключении сети. Аккумуляторы можно классифицировать на два типа: свинцово-кислотные аккумуляторы и литий-ионные аккумуляторы. Свинцово-кислотные аккумуляторы дешевле и более широко используются, но они имеют меньшую энергетическую плотность, короткий срок службы и требуют больше обслуживания. Литий-ионные аккумуляторы дороже и менее распространены, но они имеют большую энергетическую плотность, длительный срок службы и требуют меньше обслуживания.

• Выключатели: Это устройства, которые соединяют или разъединяют различные части системы, такие как солнечные модули, инверторы, аккумуляторы, нагрузки или сети. Выключатели могут быть ручными или автоматическими, в зависимости от уровня безопасности и контроля, необходимого для работы. Ручные выключатели требуют человеческого вмешательства для их работы, в то время как автоматические выключатели работают на основе предопределенных условий или сигналов.

• Приборы учета: Это устройства, которые измеряют и отображают различные параметры системы, такие как напряжение, ток, мощность, энергия, температура или освещенность. Приборы учета могут быть аналоговыми или цифровыми, в зависимости от типа отображения и точности, необходимой для работы. Аналоговые приборы используют стрелки или шкалы для показа значений, в то время как цифровые приборы используют числа или графики для показа значений.

• Кабели: Это провода, которые передают электроэнергию между различными компонентами системы. Кабели можно классифицировать на два типа: кабели постоянного тока (DC) и кабели переменного тока (AC). Кабели постоянного тока передают постоянный ток от солнечных модулей к инверторам или аккумуляторам, в то время как кабели переменного тока передают переменный ток от инверторов к сети или нагрузкам.

Расположение фотоэлектрической электростанции зависит от нескольких факторов, таких как условия площадки, размер системы, проектные цели и требования сети. Однако типичное расположение состоит из трех основных частей: часть генерации, часть передачи и часть распределения.

Часть генерации включает солнечные модули, монтажные конструкции и инверторы, которые производят электроэнергию из солнечного света.

Часть передачи включает кабели, выключатели и приборы учета, которые передают электроэнергию от части генерации к части распределения.

Часть распределения включает аккумуляторы, зарядные контроллеры и нагрузки, которые хранят или потребляют электроэнергию.

На следующем диаграмме показан пример расположения фотоэлектрической электростанции:

Работа фотоэлектрической электростанции зависит от нескольких факторов, таких как погодные условия, спрос на нагрузку и состояние сети. Однако типичная работа состоит из трех основных режимов: режим зарядки, режим разрядки и режим подключения к сети.

Режим зарядки происходит, когда есть избыток солнечного света и низкий спрос на нагрузку. В этом режиме солнечные модули производят больше электроэнергии, чем требуется нагрузкам. Избыточная электроэнергия используется для зарядки аккумуляторов через зарядные контроллеры.

Режим разрядки происходит, когда нет солнечного света или высокий спрос на нагрузку. В этом режиме солнечные модули производят меньше электроэнергии, чем требуется нагрузкам. Недостающая электроэнергия поступает из аккумуляторов через инверторы.

Режим подключения к сети происходит, когда доступна сеть и тарифы благоприятны. В этом режиме солнечные модули производят электроэнергию, которую можно подавать в сеть через инверторы.

Режим подключения к сети также может происходить, когда есть отключение сети, и требуется резервное питание. В этом режиме солнечные модули производят электроэнергию, которую можно использовать нагрузками через инверторы.

Что такое концентрирующая солнечная электростанция?

Концентрирующая солнечная электростанция — это крупномасштабная КСЭ система, которая использует зеркала или линзы для концентрации солнечного света на приемник, который нагревает жидкость, приводящую в действие турбину или двигатель для выработки электроэнергии. Концентрирующая солнечная электростанция состоит из нескольких компонентов, таких как:

• Коллекторы: Это устройства, которые отражают или преломляют солнечный свет на приемник. Коллекторы можно классифицировать на четыре типа: параболические желоба, параболические блюда, линейные рефлекторы Френеля и центральные приемники. Параболические желоба — это изогнутые зеркала, которые фокусируют солнечный свет на линейный приемник, проходящий вдоль их фокальной линии. Параболические блюда — это вогнутые зеркала, которые фокусируют солнечный свет на точечный приемник в их фокальной точке. Линейные рефлекторы Френеля — это плоские зеркала, которые отражают солнечный свет на линейный приемник над ними. Центральные приемники — это башни, окруженные массивом плоских зеркал, называемых гелиостатами, которые отражают солнечный свет на точечный приемник на их вершине.

• Приемники: Это устройства, которые поглощают концентрированный солнечный свет и передают его теплоносителю (ТН). Приемники можно классифицировать на два типа: внешние приемники и внутренние приемники. Внешние приемники открыты атмосфере и имеют высокие тепловые потери из-за конвекции и радиации. Внутренние приемники заключены в вакуумную камеру и имеют низкие тепловые потери из-за изоляции и эвакуации.

• Теплоносители: Это жидкости, которые циркулируют через приемники и транспортируют тепло от коллекторов к блоку питания. Теплоносители можно классифицировать на два типа: тепловые жидкости и расплавленные соли. Тепловые жидкости — это органические жидкости, такие как синтетические масла или углеводороды, которые имеют высокую температуру кипения и низкую температуру замерзания. Расплавленные соли — это неорганические соединения, такие как нитрат натрия или нитрат калия, которые имеют высокую теплоемкость и низкое давление пара.

• Блок питания: Это место, где электроэнергия генерируется из тепла с помощью турбины или двигателя, соединенного с генератором. Блок питания можно классифицировать на два типа: паровой цикл и цикл Брайтона. Паровой цикл использует воду в качестве ТН и производит пар, который приводит в действие паровую турбину, соединенную с электрогенератором. Цикл Брайтона использует воздух в качестве ТН и производит горячий воздух, который приводит в действие газовую турбину, соединенную с электрогенератором.

• Система хранения: Это место, где избыточное тепло хранится для последующего использования, когда нет солнечного света или когда есть высокий спрос на нагрузку. Системы хранения можно классифицировать на два типа: хранение чувствительного тепла и хранение латентного тепла. Хранение чувствительного тепла использует материалы, такие как камни, вода или расплавленные соли, которые хранят тепло, увеличивая свою температуру без изменения фазы. Хранение латентного тепла использует материалы, такие как материалы с изменением фазы (МСИФ) или термохимические материалы (ТХМ), которые хранят тепло, изменяя свою фазу или химическое состояние без изменения температуры.

Расположение концентрирующей солнечной электростанции зависит от нескольких факторов, таких как условия площадки, размер системы, проектные цели и требования сети. Однако типичное расположение состоит из трех основных частей: