Solcellspark: Typer komponenter och arbetsprinciper

Solcellspark är system som använder solenergi för att generera elektricitet. De kan indelas i två huvudtyper: fotovoltaiska (PV) anläggningar och koncentrerade solkraftsanläggningar (CSP). Fotovoltaiska anläggningar omvandlar solljus direkt till elektricitet med hjälp av solceller, medan koncentrerade solkraftsanläggningar använder speglar eller linser för att koncentrera solljus och värma en vätska som driver en turbin eller motor. I denna artikel kommer vi att förklara komponenterna, layouten och drift av båda typerna av solcellspark, liksom deras fördelar och nackdelar.

Vad är en fotovoltaisk kraftverk?

Ett fotovoltaiskt kraftverk är ett storskaligt PV-system som är anslutet till nätet och utformat för att producera stor mängd elektrisk energi från solstrålning. Ett fotovoltaiskt kraftverk består av flera komponenter, såsom:

• Solmoduler: Dessa är de grundläggande enheterna i ett PV-system. De består av solceller som omvandlar ljus till elektricitet. Solceller är vanligtvis gjorda av silikon, vilket är ett halvledarmaterial som kan absorbera fotoner och frigöra elektroner. Elektronerna flyter genom kretsen och skapar en elektrisk ström. Solmoduler kan arrangeras i olika konfigurationer, såsom serie, parallell eller serie-parallell, beroende på spänningen och strömförbrukningen i systemet.

• Monteringsstrukturer: Dessa är ramarna eller hyllorna som stöder och riktar solmodulerna. De kan vara fasta eller justerbara, beroende på platsens belägenhet och klimat. Fasta monteringsstrukturer är billigare och enklare, men de följer inte solens rörelse och kan minska systemets utmatning. Justerbara monteringsstrukturer kan luta eller rotera solmodulerna för att följa solens position och optimera energiproduktionen. De kan vara manuella eller automatiska, beroende på den önskade kontrollnivån och noggrannheten.

• Omvändare: Dessa är enheter som omvandlar den direkta strömmen (DC) som produceras av solmodulerna till växelström (AC) som kan matas in i nätet eller användas av AC-belastningar.

  

• Omvändare kan indelas i två typer: centrala omvändare och mikro-omvändare. Centrala omvändare är stora enheter som ansluter flera solmoduler eller arrayer och ger en enda AC-utgång. Mikro-omvändare är små enheter som ansluts till varje solmodul eller panel och ger individuella AC-utgångar. Centrala omvändare är mer kostnadseffektiva och effektiva för storskaliga system, medan mikro-omvändare är mer flexibla och tillförlitliga för småskaliga system.

• Laddningsregulatorer: Dessa är enheter som reglerar spänningen och strömmen från solmodulerna eller arrayer för att förhindra överladdning eller över-avlastning av batterierna. Laddningsregulatorer kan indelas i två typer: pulsbreddsmodulerings (PWM) regulatorer och maximala effektpunktsföljande (MPPT) regulatorer. PWM-regulatorer är enklare och billigare, men de slösar viss energi genom att slå på och av laddningsströmmen. MPPT-regulatorer är mer komplexa och dyra, men de optimerar energiutmatningen genom att justera spänningen och strömmen för att matcha den maximala effektpunkten för solmodulerna eller arrayerna.

• Batterier: Dessa är enheter som lagrar överskottselektricitet som genereras av solmodulerna eller arrayerna för senare användning när det inte finns solljus eller när nätet är nere. Batterier kan indelas i två typer: blysyra-batterier och lithium-ion-batterier. Blysyra-batterier är billigare och mer vanligt förekommande, men de har en lägre energitäthet, kortare livslängd och kräver mer underhåll. Lithium-ion-batterier är dyrare och mindre vanliga, men de har en högre energitäthet, längre livslängd och kräver mindre underhåll.

• Brytare: Dessa är enheter som ansluter eller kopplar ifrån olika delar av systemet, såsom solmoduler, omvändare, batterier, belastningar eller nät. Brytare kan vara manuella eller automatiserade, beroende på säkerhets- och kontrollnivån som behövs. Manuella brytare kräver mänsklig intervention för att fungera, medan automatiserade brytare fungerar baserat på fördefinierade villkor eller signaler.

• Mätare: Dessa är enheter som mäter och visar olika parametrar i systemet, såsom spänning, ström, effekt, energi, temperatur eller strålning. Mätare kan vara analoga eller digitala, beroende på typen av visning och noggrannhet som behövs. Analogmätare använder nålar eller skalor för att visa värden, medan digitala mätare använder siffror eller grafer för att visa värden.

• Kablar: Dessa är trådar som överför elektricitet mellan olika komponenter i systemet. Kablar kan indelas i två typer: DC-kablar och AC-kablar. DC-kablar bär direktström från solmodulerna till omvändare eller batterier, medan AC-kablar bär växelström från omvändare till nät eller belastningar.

Layouten för ett fotovoltaiskt kraftverk beror på flera faktorer, såsom platsens förhållanden, systemets storlek, designmål och nätets krav. En typisk layout består dock av tre huvuddelar: genereringsdel, transmissionsdel och distributionsdel.

Genereringsdelen inkluderar solmoduler, monteringsstrukturer och omvändare som producerar elektricitet från solljus.

Transmissionsdelen inkluderar kablar, brytare och mätare som överför elektricitet från genereringsdelen till distributionsdelen.

Distributionsdelen inkluderar batterier, laddningsregulatorer och belastningar som lagrar eller konsumerar elektricitet.

Följande diagram visar ett exempel på layout för ett fotovoltaiskt kraftverk:

Driften av ett fotovoltaiskt kraftverk beror på flera faktorer, såsom väderförhållanden, belastningskrav och nätstatus. En typisk drift består dock av tre huvudlägen: laddningsläge, avladdningsläge och nätanslutningsläge.

Laddningsläget inträffar när det finns överskott av solljus och låg belastningskrav. I detta läge genererar solmodulerna mer elektricitet än vad som behövs av belastningarna. Överskottselektriciteten används för att ladda batterierna genom laddningsregulatorerna.

Avladdningsläget inträffar när det inte finns solljus eller när det finns högt belastningskrav. I detta läge genererar solmodulerna mindre elektricitet än vad som behövs av belastningarna. Deficiten i elektricitet täcks av batterierna genom omvändare.

Nätanslutningsläget inträffar när det finns tillgång till nätet och gynnsamma tarriffer. I detta läge genererar solmodulerna elektricitet som kan matas in i nätet genom omvändare.

Nätanslutningsläget kan också inträffa vid nätavbrott, då backup-ström behövs. I detta läge genererar solmodulerna elektricitet som kan användas av belastningarna genom omvändare.

Vad är en koncentrerad solkraftanläggning?

En koncentrerad solkraftanläggning är ett storskaligt CSP-system som använder speglar eller linser för att koncentrera solljus på en mottagare som värmer en vätska som driver en turbin eller motor för att generera elektricitet. En koncentrerad solkraftanläggning består av flera komponenter, såsom:

• Samlare: Dessa är enheter som reflekterar eller refraktar solljus på en mottagare. Samlare kan indelas i fyra typer: paraboliska furror, paraboliska fat, linjära Fresnel-reflektorer och centrala mottagare. Paraboliska furror är böjda speglar som fokuserar solljus på en linjär mottagarröre som löper längs deras fokallinje. Paraboliska fat är konkava speglar som fokuserar solljus på en punktmottagare vid deras fokuspunkt. Linjära Fresnel-reflektorer är platta speglar som reflekterar solljus på en linjär mottagarröre ovanför dem. Centrala mottagare är torn omgivna av en array av platta speglar kallade heliostater som reflekterar solljus på en punktmottagare vid deras topp.

• Mottagare: Dessa är enheter som absorberar koncentrerat solljus och överför det till en värmeöverföringsvätska (HTF). Mottagare kan indelas i två typer: externa mottagare och interna mottagare. Externa mottagare är exponerade för atmosfären och har höga värmetappar på grund av konvektion och strålning. Interna mottagare är inslagna i en vakuumkammare och har låga värmetappar på grund av isolering och evacuation.

• Värmeöverföringsvätskor: Dessa är vätskor som cirkulerar genom mottagarna och transporterar värme från samlarna till kraftblocket. Värmeöverföringsvätskor kan indelas i två typer: termiska vätskor och smältande salter. Termiska vätskor är organiska vätskor som syntetiska oljor eller hydrokarboner som har höga kokpunkter och låga fryspunkter. Smältande salter är inorganiska ämnen som natriumnitrat eller kaliumnitrat som har hög värmeemneskapacitet och låg ångtryck.

• Kraftblock: Här genereras elektricitet från värme med hjälp av en turbin eller motor kopplad till en generator. Kraftblock kan indelas i två typer: ångcykel och Brayton-cykel. Ångcykeln använder vatten som HTF och producerar ånga som driver en ångturbin kopplad till en elektrisk generator. Brayton-cykel använder luft som HTF och producerar het luft som driver en gasturbin kopplad till en elektrisk generator.

• Lagringsystem: Här lagras överskottsvärme för senare användning när det inte finns solljus eller när det finns högt belastningskrav. Lagringssystem kan indelas i två typer: sensibel värmeinsamling och latent värmeinsamling. Sensibel värmeinsamling använder material som sten, vatten eller smältande salter som lagrar värme genom att öka deras temperatur utan att ändra deras fas. Latent värmeinsamling använder material som fasändringsmaterial (PCMs) eller termokemiska material (TCMs) som lagrar värme genom att ändra deras fas eller kemiska tillstånd utan att ändra deras temperatur.

Layouten för en koncentrerad solkraftanläggning beror på flera faktorer, såsom platsens förhållanden, systemets storlek, designmål och nätets krav. En typisk layout består dock av tre huvuddelar: samlingsfält, kraftblock och lagringssystem.