Sončne elektrarne: Vrste komponente in načini delovanja

Sončne elektrarne so sistemi, ki uporabljajo sončno energijo za proizvodnjo električne energije. Lahko se razdelijo na dve glavni vrsti: fotovoltaične (PV) elektrarne in koncentrirane sončne elektrarne (CSP). Fotovoltaične elektrarne neposredno pretvarjajo svetlobo v električno energijo z uporabo sončnih celic, medtem ko koncentrirane sončne elektrarne uporabljajo ogledala ali leče, da koncentrirajo svetlobo in segrejo tekočino, ki pogaja turbine ali motorje. V tem članku bomo pojasnili komponente, postavitve in delovanje obeh vrst sončnih elektrarn, kot tudi njihove prednosti in slabosti.

Kaj je fotovoltaična elektrarna?

Fotovoltaična elektrarna je velikopovršinska PV sistema, povezana z omrežjem in zasnovana za proizvodnjo večje količine električne energije iz sončne radiacije. Fotovoltaična elektrarna se sestavlja iz več komponent, kot so:

• Sončni moduli: To so osnovne enote PV sistema. Sestavljajo jih sončne celice, ki pretvarjajo svetlobo v električno energijo. Sončne celice so običajno izdelane iz silicija, ki je polprevodni material, ki lahko absorpira foton in izpušča elektron. Elektroni tečejo skozi vez in ustvarijo električni tok. Sončne module se lahko razvrščajo v različne konfiguracije, kot so zaporedje, vzporednost ali zaporedno-vzporednost, glede na napetost in potrebne tokove sistema.

• Inverterji: To so naprave, ki pretvarjajo enosmerno toko (DC), ki ga proizvajajo sončni moduli, v mnogosmerni tok (AC), ki se lahko prepelje v omrežje ali uporablja za AC obtežbe.

  

• Inverterji se lahko razdelijo na dve vrsti: centralni inverterji in mikroinverterji. Centralni inverterji so veliki enoti, ki povezujejo več sončnih modulov ali polj in zagotavljajo en sam AC izhod. Mikroinverterji so majhne enote, ki se povežejo z vsakim sončnim modulom ali panelom in zagotavljajo posamezne AC izhode. Centralni inverterji so učinkovitejši in boljši za velikopovršinske sisteme, medtem ko so mikroinverterji bolj prilagodljivi in zanesljivi za manjše sisteme.

• Naprajalniki: To so naprave, ki uredijo napetost in tok sončnih modulov ali polj, da preprečijo preobremenjenost ali pre-razpraznjenost baterij. Naprajalniki se lahko razdelijo na dve vrsti: naprajalniki s širino impulza (PWM) in naprajalniki z sledenjem maksimalne močne točki (MPPT). Naprajalniki s širino impulza so preprostejši in cenejši, vendar porabljajo nekaj energije z vklopom in izklopom nabiranja. Naprajalniki z sledenjem maksimalne močne točki so bolj kompleksni in dragi, vendar optimizirajo izhod energije z prilagajanjem napetosti in toka, da se ujemata z maksimalno močno točko sončnih modulov ali polj.

• Baterije: To so naprave, ki shranjujejo presežek električne energije, ki jo generirajo sončni moduli ali polja, za kasnejšo uporabo, ko ni sončnega svetlobe ali ko je omrežje odpotočeno. Baterije se lahko razdelijo na dve vrsti: svinčne baterije in litij-ion baterije. Svinčne baterije so cenejše in lažje uporabljene, vendar imajo nižjo energetsko gostoto, krajši življenjski čas in zahtevajo več vzdrževanja. Litij-ion baterije so dražje in manj pogoste, vendar imajo višjo energetsko gostoto, daljši življenjski čas in zahtevajo manj vzdrževanja.

• Preklopniki: To so naprave, ki povezujejo ali odpovezujejo različne dele sistema, kot so sončni moduli, inverterji, baterije, obtežbe ali omrežja. Preklopniki lahko so ročni ali avtomatski, odvisno od ravni varnosti in kontrole, ki je potrebna. Ročni preklopniki zahtevajo človeško vmesništvilo, da bi jih upravljali, medtem ko avtomatski preklopniki delujejo na podlagi preddefiniranih pogojev ali signalov.

• Merilci: To so naprave, ki merijo in prikazujejo različne parametre sistema, kot so napetost, tok, moč, energija, temperatura ali valjanje. Merilci lahko so analogni ali digitalni, odvisno od vrste prikaza in natančnosti, ki je potrebna. Analogni merilci uporabljajo igle ali kazalce za prikaz vrednosti, medtem ko digitalni merilci uporabljajo številke ali grafike za prikaz vrednosti.

• Kabeli: To so žice, ki prenašajo električno energijo med različnimi komponentami sistema. Kabeli se lahko razdelijo na dve vrsti: DC kabeli in AC kabeli. DC kabeli nosijo enosmerni tok od sončnih modulov do inverterjev ali baterij, medtem ko AC kabeli nosijo mnogosmerni tok od inverterjev do omrežja ali obtežb.

Postavitev fotovoltaične elektrarne je odvisna od več dejavnikov, kot so lokacijske pogoje, velikost sistema, cilji zasnove in zahteve omrežja. Vendar pa tipična postavitev sestavlja tri glavne dele: del proizvodnje, del prenosa in del distribucije.

Del proizvodnje vključuje sončne module, montažne strukture in inverterje, ki proizvajajo električno energijo iz sončne svetlobe.

Del prenosa vključuje kabelje, preklopnike in merilce, ki prenašajo električno energijo od dela proizvodnje do dela distribucije.

Del distribucije vključuje baterije, naprajalnike in obtežbe, ki shranjujejo ali porabljajo električno energijo.

Sledišči diagram prikazuje primer postavitve fotovoltaične elektrarne:

Delovanje fotovoltaične elektrarne je odvisno od več dejavnikov, kot so vremenski pogoji, povpraševanje po obtežbah in stanje omrežja. Vendar pa tipično delovanje sestavlja tri glavne načine: način nabiranja, način razpraznjevanja in način povezave z omrežjem.

Način nabiranja nastopa, ko je presežek sončne svetlobe in nizko povpraševanje po obtežbah. Na tem načinu sončni moduli proizvajajo več električne energije, kot jo potrebujejo obtežbe. Presežna električna energija se uporablja za nabiranje baterij preko naprajalnikov.

Način razpraznjevanja nastopa, ko ni sončne svetlobe ali je visoko povpraševanje po obtežbah. Na tem načinu sončni moduli proizvajajo manj električne energije, kot jo potrebujejo obtežbe. Manjkajoča električna energija se zagotavlja iz baterij preko inverterjev.

Način povezave z omrežjem nastopa, ko je na voljo omrežje in ugodne tarifne mere. Na tem načinu sončni moduli proizvajajo električno energijo, ki se lahko prepelje v omrežje preko inverterjev.

Način povezave z omrežjem se lahko tudi zgodi, ko je odpotočenje omrežja, in je potrebna rezervna energija. Na tem načinu sončni moduli proizvajajo električno energijo, ki se lahko uporabi za obtežbe preko inverterjev.

Kaj je koncentrirana sončna elektrarna?

Koncentrirana sončna elektrarna je velikopovršinska CSP sistema, ki uporabljajo ogledala ali leče, da koncentrirajo sončno svetlobo na sprejemnik, ki segreva tekočino, ki pogaja turbine ali motorje, da proizvede električno energijo. Koncentrirana sončna elektrarna se sestavlja iz več komponent, kot so:

• Zbirniki: To so naprave, ki odsevajo ali lomijo sončno svetlobo na sprejemnik. Zbirniki se lahko razdelijo na štiri vrste: parabolične dolge cevi, parabolične tanke, linearni Fresnelovi odsevalniki in centralni sprejemniki. Parabolične dolge cevi so zakrivljena ogledala, ki fokusirajo sončno svetlobo na linearni sprejemnik, ki teče vzdolž njihove fokalne črte. Parabolične tanke so konkavna ogledala, ki fokusirajo sončno svetlobo na točkovni sprejemnik na njihovi fokalni točki. Linearni Fresnelovi odsevalniki so ravnina ogledala, ki odsevajo sončno svetlobo na linearni sprejemnik nad njimi. Centralni sprejemniki so stolpi, obkroženi z naborom ravninskih ogledal, imenovanih heliostati, ki odsevajo sončno svetlobo na točkovni sprejemnik na vrhu.

• Sprejemniki: To so naprave, ki absorbirajo koncentrirano sončno svetlobo in jo prenašajo na prevajalno tekočino (HTF). Sprejemniki se lahko razdelijo na dve vrsti: zunanji sprejemniki in notranji sprejemniki. Zunanji sprejemniki so izpostavljeni atmosferi in imajo visoke toplinske izgube zaradi konvekcije in radiacije. Notranji sprejemniki so zaključeni v vakuumski komori in imajo nizke toplinske izgube zaradi izolacije in evacuacije.

• Prevajalne tekočine: To so tekočine, ki cirkulirajo skozi sprejemnike in prenašajo toplotno energijo od zbirnikov do bloka z energijo. Prevajalne tekočine se lahko razdelijo na dve vrsti: toplinske tekočine in taleni soli. Toplinske tekočine so organski tekočini, kot so sintetična olja ali uhlovodi, ki imajo visoke točke varjenja in nizke točke zamrzovanja. Taleni soli so anorganski spojini, kot so nitrat natrija ali nitrat kalija, ki imajo visoko toplinsko kapaciteto in nizko para tlak.

• Energetska baza: Tukaj se električna energija proizvaja iz toplotne energije z uporabo turbine ali motorja, povezanega z generatorjem. Energetska baza se lahko razdeli na dve vrsti: parni cikel in Braytonov cikel. Parni cikel uporablja vodo kot HTF in proizvaja par, ki pogaja parno turbinu, povezano z električnim generatorjem. Braytonov cikel uporablja zrak kot HTF in proizvaja vroč zrak, ki pogaja plinsko turbinu, povezano z elek