Solarne elektrane: Tipovi komponente i načela rada
Solarne elektrane su sistemi koji koriste sunčevu energiju za proizvodnju električne energije. Mogu se klasifikovati u dva glavna tipa: fotovoltaičke (PV) elektrane i koncentrisane solarno-energetske (CSP) elektrane. Fotovoltaičke elektrane direktno pretvaraju sunčevu svetlost u električnu energiju pomoću solarnih celija, dok koncentrisane solarno-energetske elektrane koriste ogledala ili sočive da koncentrišu sunčevu svetlost i zagreju fluid koji pokreće turbinu ili motor. U ovom članku objasniti ćemo komponente, raspored i rad oba tipa solarnih elektrana, kao i njihove prednosti i nedostatke.
Šta je fotovoltaička elektrana?
Fotovoltaička elektrana je veliki PV sistem koji je povezan sa mrežom i dizajniran da proizvodi masovnu električnu snagu iz sunčeve radijacije. Fotovoltaička elektrana sastoji se od nekoliko komponenti, poput:
Solarni moduli: To su osnovne jedinice PV sistema. Sastoje se od solarnih celija koje pretvaraju svetlost u električnu energiju. Solarni čipovi obično su izrađeni od silicijuma, koji je poluprovodni materijal koji može apsorbirati fotonima i osloboditi elektrone. Elektroni teku kroz krug i stvaraju električni tok. Solarni moduli mogu biti raspoređeni u različitim konfiguracijama, poput serije, paralele ili serije-paralele, zavisno od napona i potreba za strujom sistema.
Konstrukcije za montažu: To su okviri ili štandovi koji podržavaju i orijentiraju solarni module. Mogu biti fiksni ili prilagodljivi, zavisno od lokacije i klimatskih uslova lokacije. Fiksne konstrukcije za montažu su jeftinije i jednostavnije, ali ne prate kretanje Sunca i mogu smanjiti izlaz sistema. Prilagodljive konstrukcije mogu nagibati ili rotirati solarni module kako bi pratili poziciju Sunca i optimizovale proizvodnju energije. Mogu biti ručne ili automatizovane, zavisno od stepena kontrole i tačnosti koja je potrebna.
Inverzori: To su uređaji koji pretvaraju izravnu struju (DC) proizvedenu od solarnih modula u izmeničnu struju (AC) koja može biti unesena u mrežu ili upotrebljena od AC opterećenja.
Inverzori se mogu klasifikovati u dva tipa: centralni inverzori i mikroinverzori. Centralni inverzori su velike jedinice koje spajaju nekoliko solarnih modula ili nizova i pružaju jedan AC izlaz. Mikroinverzori su male jedinice koje se spajaju sa svakim solarnim modulom ili panelom i pružaju pojedinačne AC izlaze. Centralni inverzori su efikasniji i efikasniji za velike sisteme, dok su mikroinverzori fleksibilniji i pouzdani za male sisteme.
Upravljači napona: To su uređaji koji regulišu napon i struju solarnih modula ili nizova kako bi sprečili preopterećenje ili pre-iskoriscavanje baterija. Upravljači napona se mogu klasifikovati u dva tipa: upravljači širine impulsa (PWM) i upravljači maksimalne tačke snage (MPPT). PWM upravljači su jednostavniji i jeftiniji, ali gube neku energiju isključivanjem i uključivanjem opterećenja. MPPT upravljači su složeniji i skuplji, ali optimizuju izlaznu energiju prilagođavajući napon i struju da se podudaraju sa maksimalnom tačkom snage solarnih modula ili nizova.
Baterije: To su uređaji koji skladište više električne energije generisane od solarnih modula ili nizova za kasniju upotrebu kada nema sunca ili kada je mreža isključena. Baterije se mogu klasifikovati u dva tipa: olovne-acidne baterije i litij-ion baterije. Olovne-acidne baterije su jeftinije i šire korišćene, ali imaju nižu gustinu energije, kraće vreme trajanja i zahtevaju više održavanja. Litij-ion baterije su skuplje i manje uobičajene, ali imaju veću gustinu energije, duže vreme trajanja i zahtevaju manje održavanja.
Prekidači: To su uređaji koji spajaju ili odspajaju različite delove sistema, poput solarnih modula, inverzora, baterija, opterećenja ili mreže. Prekidači mogu biti ručni ili automatski, zavisno od nivoa bezbednosti i kontrole koji su potrebni. Ručni prekidači zahtevaju ljudsko intervenciju da bi ih operirali, dok automatski prekidači operiraju na osnovu predefinisanih uslova ili signala.
Merila: To su uređaji koji meri i prikazuju različite parametre sistema, poput napona, struje, snage, energije, temperature ili zračenja. Merila mogu biti analogni ili digitalni, zavisno od tipa displeja i tačnosti koja je potrebna. Analogni merili koriste igle ili kazaljke da prikazuju vrednosti, dok digitalni merili koriste brojeve ili grafikone da prikazuju vrednosti.
Kabli: To su žice koje prenose električnu energiju između različitih komponenti sistema. Kabli se mogu klasifikovati u dva tipa: DC kabli i AC kabli. DC kabli prenose izravnu struju od solarnih modula do inverzora ili baterija, dok AC kabli prenose izmeničnu struju od inverzora do mreže ili opterećenja.
Raspored fotovoltaičke elektrane zavisi od nekoliko faktora, poput uslova lokacije, veličine sistema, ciljeva dizajna i zahteva mreže. Međutim, tipičan raspored sastoji se od tri glavna dela: deo generisanja, deo prenosa i deo distribucije.
Deo generisanja uključuje solarni module, konstrukcije za montažu i inverzore koji proizvode električnu energiju od sunčeve svetlosti.
Deo prenosa uključuje kablove, prekidače i merila koji prenose električnu energiju od deoa generisanja do deoa distribucije.
Deo distribucije uključuje baterije, upravljače napona i opterećenja koji skladište ili potroša električnu energiju.
Sljedeći dijagram pokazuje primer rasporeda fotovoltaičke elektrane:
Rad fotovoltaičke elektrane zavisi od nekoliko faktora, poput vremenskih uslova, potreba za opterećenjem i statusa mreže. Međutim, tipičan rad sastoji se od tri glavna režima: režim punjenja, režim ispunjenja i režim vezan uz mrežu.
Režim punjenja nastupa kada postoji višak sunčeve svetlosti i niska potreba za opterećenjem. U ovom režimu, solarni moduli proizvode više električne energije nego što je potrebno za opterećenja. Višak električne energije se koristi za punjenje baterija kroz upravljače napona.
Režim ispunjenja nastupa kada nema sunca ili kada je visoka potreba za opterećenjem. U ovom režimu, solarni moduli proizvode manje električne energije nego što je potrebno za opterećenja. Deficit električne energije se snabdeva baterijama kroz inverzore.
Režim vezan uz mrežu nastupa kada je dostupna mreža i povoljne tarife. U ovom režimu, solarni moduli proizvode električnu energiju koja može biti unešena u mrežu kroz inverzore.
Režim vezan uz mrežu takođe može nastupiti kada je mreža isključena, a potrebna je rezervna snaga. U ovom režimu, solarni moduli proizvode električnu energiju koja se može koristiti od strane opterećenja kroz inverzore.
Šta je koncentrisana solarna elektrana?
Koncentrisana solarna elektrana je veliki CSP sistem koji koristi ogledala ili sočive da koncentriše sunčevu svetlost na primatelja koji zagrijava fluid koji pokreće turbinu ili motor kako bi proizveo električnu energiju. Koncentrisana solarna elektrana sastoji se od nekoliko komponenti, poput:
Sakupljači: To su uređaji koji reflektuju ili refraktuju sunčevu svetlost na primatelja. Sakupljači se mogu klasifikovati u četiri tipa: parabolični lonci, parabolični tanjiri, linearni Fresnelovi reflektori i centralni primatelji. Parabolični lonci su zakrivljeni ogledala koja fokusiraju sunčevu svetlost na linearni primateljski cev koji se proteže duž njihove fokalne linije. Parabolični tanjiri su konkavna ogledala koja fokusiraju sunčevu svetlost na točni primatelj na njihovoj fokalnoj tački. Linearni Fresnelovi reflektori su ravna ogledala koja reflektuju sunčevu svetlost na linearni primateljski cev iznad njih. Centralni primatelji su tornjevi okruženi nizom ravnih ogledala poznatih kao heliostati koji reflektuju sunčevu svetlost na točni primatelj na njihovom vrhu.
Primatelji: To su uređaji koji apsorbiraju koncentrisanu sunčevu svetlost i prenose je na fluid za prenos toplote (HTF). Primatelji se mogu klasifikovati u dva tipa: vanjski primatelji i unutrašnji primatelji. Vanjski primatelji su izloženi atmosferi i imaju visoke gubitke toplote zbog konvekcije i radijacije. Unutrašnji primatelji su zatvoreni u vakuumsku komoru i imaju niske gubitke toplote zbog izolacije i evakuacije.
Fluidi za prenos toplote: To su fluidi koji cirkulišu kroz primatelje i prenose toplinu od sakupljača do energetskog bloka. Fluidi za prenos toplote se mogu klasifikovati u dva tipa: termalni fluidi i talni soli. Termalni fluidi su organski tečnosti, poput sintetskih ulja ili ugljikovodika, koji imaju visoku temperaturu ključenja i nisku temperaturu zamrzavanja. Talne soli su anorganski spojevi, poput natrijum nitrat ili kalijum nitrat, koji imaju visoku kapacitet toplote i niski tlak para.
Energetski blok: To je mesto gde se električna energija proizvodi od toplote pomoću turbine ili motora spojenih sa generatorom. Energetski blok se može klasifikovati u dva tipa: parni ciklus i Braytonov ciklus. Parni ciklus koristi vodu kao HTF i proizvodi par koji pokreće parnu turbinu spojenu sa električnim generatorom. Braytonov ciklus koristi zrak kao HTF i proizvodi vrući zrak koji pokreće gasnu turbinu spojenu sa električnim generatorom.
