Od fotonaponskih ploča do pretvarača: detaljno objašnjenje sastava kompletnog sustava za proizvodnju solarne energije

U pozadini globalnog zagovaranja održive energije, solarna energija, kao čist i obnovljivi izvor energije, postupno ulazi u naš život. Sustavi za proizvodnju solarne energije privukli su sve više i više pozornosti zbog svoje zaštite okoliša, uštede energije i mnogih drugih prednosti. Pa, kako se sastavlja potpuni sustav za proizvodnju solarne energije? Započnimo s najosnovnijem komponentom - fotonaponski ploče.

Fotonaponske ploče, poznate i kao solarni paneli, jedna su od glavnih komponenti sustava za proizvodnju solarne energije. Oni djeluju kao učinkovit "hvatanje" odgovornog za pretvaranje sunčeve svjetlosti u električnu energiju. Njegov princip rada temelji se na poznatom "fotonaponskom učinku". Kad sunčeva svjetlost sja na fotonaponskoj ploči, fotoni komuniciraju s poluvodičkim materijalom na fotonaponskoj ploči kako bi stimulirali parove elektronske rupe. Ti se elektroni i rupe kreću u različitim smjerovima pod djelovanjem električnog polja unutar poluvodičkog materijala, tvoreći električnu struju.

Fotonaponske ploče obično se sastoje od više jedinica solarnih ćelija. Većina tih staničnih jedinica izrađena je od silikonskih materijala, od kojih su najčešće monokristalne silicijske stanice i polikristalne silicijske stanice. Monokristalne silicijske stanice imaju visoku učinkovitost pretvorbe, uglavnom dostižu 20% - 25%, što znači da može pretvoriti 20% - 25% solarne energije u električnu energiju. Njegov je proces proizvodnje relativno složen, a trošak je relativno visok, ali ima stabilne performanse proizvodnje energije i dug radni vijek do 25 - 30 godina. Učinkovitost konverzije polikristalnih silikonskih ćelija nešto je niža, oko 15% - 20%, ali njegovi troškovi proizvodnje su relativno niski, a ima određene prednosti ekonomičnosti u aplikacijama velikih razmjera, a njegov radni vijek također može dostići {20 - 25 godina.

Pored monokristalnih silikonskih i polikristalnih silicijskih stanica, postoje i druge vrste fotonaponskih panela poput amorfnog silicija, kadmija telurida i bakrenog selenida indija galija. Amorfne silicijske fotonaponske ploče imaju prednosti dobre fleksibilnosti i mogu se pretvoriti u tanke filmove. Često se koriste u nekim scenama s posebnim zahtjevima za izgled ili instalacijski prostor, ali njihova učinkovitost pretvorbe je relativno niska, uglavnom 6% - 12%. Fotonaponski paneli kadmij telurid i bakreni Indium Galium selenid imaju određeni potencijal u učinkovitosti i troškovima pretvorbe, a posljednjih su godina brzo razvili, ali njihov je tržišni udio još uvijek niži od onog kod monokristalnih silicija i polikristalnih silikonskih fotovoltatskih panela.

Snaga generirana fotonaponskim pločama je DC, dok većina električnih uređaja koje koristimo u svakodnevnom životu zahtijeva da AC pravilno funkcionira. U ovom trenutku pretvarač igra ključnu ulogu. To je poput čarobnog "pretvarača" koji je odgovoran za pretvaranje istosmjernog izlaza fotonaponskih ploča u AC kako bi zadovoljio potrebe snage različitih korisnika kao što su obitelji i poduzeća.

Postoji mnogo vrsta pretvarača, a uobičajeni su centralizirani pretvarači, pretvarači niza i mikro pretvarači. Centralizirani pretvarači imaju veliku snagu i općenito su prikladni za velike solarne stanice. Sakuplja DC generirano višestrukim fotonaponskim pločama i pretvara ih. Prednost je što je trošak relativno nizak i lako je centralno upravljati i održavati, ali nakon što se dogodi greška, može utjecati na rad cijelog sustava za proizvodnju električne energije. Pretvarač niza pretvara DC u AC odvojeno za različite fotonaponske ploče, a zatim agregira ove izmjenične struje. Ima veću fleksibilnost. Čak i ako određeni niz ima problema, neće utjecati na normalan rad drugih nizova. Pored toga, može bolje igrati svoje prednosti izvedbe u scenarijima instalacije fotonaponskih ploča s djelomičnim oklopnim ili različitim orijentacijama. Trenutno se široko koristi u distribuiranim projektima stvaranja fotonaponske energije. Mikro pretvarač je izravno instaliran na stražnjoj strani svake fotonaponske ploče kako bi se odvojeno pretvorio DC izlaz snage svake fotonaponske ploče. Njegova najveća značajka je da može realizirati neovisno praćenje i praćenje maksimalne točke snage svake fotonaponske ploče. Čak i ako je fotonaponska ploča blokirana ili ne uspije, ostale fotonaponske ploče i dalje mogu normalno raditi, što uvelike poboljšava učinkovitost proizvodnje energije i stabilnost cijelog sustava za proizvodnju električne energije. Međutim, budući da svaki mikro pretvarač odgovara samo jednoj fotonaponskoj ploči, njegov je trošak relativno visok.

U procesu pretvaranja električne energije, pretvarač također ima neke druge važne funkcije. Na primjer, funkcija maksimalnog praćenja točke snage (MPPT) može nadzirati izlaznu snagu fotonaponske ploče u stvarnom vremenu i automatski prilagoditi radne parametre tako da fotonaponska ploča uvijek djeluje u blizini maksimalne točke snage, poboljšavajući na taj način učinkovitost proizvodnje električne energije. Osim toga, pretvarač također ima sigurnosne zaštitne funkcije kao što su zaštita od prenapona, zaštita od prekomjerne struje i zaštita od curenja kako bi se osigurao stabilan rad sustava za proizvodnju električne energije i sigurnost osoblja i opreme.

Da bi fotonaponski ploče bolje primili sunčevu svjetlost, potrebna je stabilna struktura potpore, što je sustav nosača. Sustav nosača je poput "čvrste podloge" za fotonaponske ploče. To ne samo da ima težinu samih fotonaponskih panela, već se odupire i raznim prirodnim okolišnim čimbenicima, poput vjetra, kiše, snijega itd.

Sustavi nosača mogu se podijeliti u dvije vrste: fiksno i praćenje. Fiksni nosači jednostavni su za ugradnju i niske troškove. Oni popravljaju fotonaponske ploče na zemlji, krovu ili drugim zgradama pod određenim kutom i orijentacijom. Kut instalacije ovog nosača obično se optimizira prema uvjetima lokalne širine i solarnog zračenja kako bi se osiguralo da fotonaponski paneli mogu dobiti dovoljno sunčeve svjetlosti veći dio godine. Praćenje nosača su inteligentnije. Oni mogu automatski prilagoditi kut fotonaponskih ploča u skladu s promjenama u položaju sunca, tako da fotonaponske ploče uvijek ostaju okomito ili gotovo okomito na sunčevu svjetlost, maksimizirajući učinkovitost fotonaponskih panela koji primaju sunčevu svjetlost. Nosači za praćenje općenito su podijeljeni u dvije vrste: jednoosno praćenje i praćenje dvostruke osi. Jednostruki nosači za praćenje mogu se okretati duž jedne osi (obično horizontalna os u smjeru istok-zapad ili nagnute osi u smjeru sjever-jug), dok se dvoosni nosači za praćenje mogu istovremeno okretati u dvije osi, s većom točnošću praćenja, ali relativno većim troškovima.

Prilikom odabira sustava za nosač, mnogi čimbenici moraju se smatrati sveobuhvatno. Na primjer, topografija mjesta instalacije, raspoloživog područja, lokalnih klimatskih uvjeta i proračuna. Za male distribuirane projekte proizvodnje fotonaponskih energija, kao što su fotonaponski sustavi na krovu kućanstava, obično se odabiru fiksni nosači zbog ograničenog instalacijskog područja i osjetljivosti na troškove. U velikim zemljanim fotonaponskim elektranama, ako se dopuštaju uvjeti mjesta i traže veća učinkovitost proizvodnje energije, praćenje nosača može biti bolji izbor.

U sustavima za proizvodnju solarne energije baterije igraju ulogu "skladišta skladišta" električne energije. Kad ima dovoljno sunčeve svjetlosti, korisnici električne energije generirane fotonaponskim pločama mogu odmah koristiti, a višak električne energije može se pohraniti u bateriju. U slučaju nedovoljne sunčeve svjetlosti noću ili u oblačnim danima, baterija oslobađa pohranjenu električnu energiju kako bi korisnicima pružio kontinuirano i stabilno napajanje.

Uobičajene vrste baterija uključuju baterije s olovnim kiselinama, baterije nikl-metala i litij-ionske baterije. Baterije s olovnim kiselinama jedna su od najčešće korištenih baterija za skladištenje energije. Imaju prednosti niskih troškova, zrele tehnologije i lako održavanja. Međutim, njihova gustoća energije je relativno niska, volumen i težina su veliki, a životni vijek naboja i pražnjenja općenito je oko 300-500 puta. Učinkovitost nikla-metalnih hidridnih baterija bolja je od one baterija s olovnim kiselinama. Imaju veću gustoću energije, duži život ciklusa punjenja i pražnjenja (do oko 1, 000 puta) i ekološki su prihvatljivi, ali njihovi su troškovi također relativno visoki. Litij-ionske baterije imaju značajne prednosti kao što su visoka gustoća energije, mali volumen, lagana težina, visoka učinkovitost naboja i pražnjenja i dugog ciklusa (obično do 1, 500-3, 000 puta), ali njihov je trošak relativno visok trenutno. U nekim scenarijima primjene osjetljivih na troškove, njihova promocija podliježe određenim ograničenjima.

Prilikom dizajniranja i konfiguriranja paketa baterija potrebno je sveobuhvatno razmotriti čimbenike kao što su stvarne potražnje snage solarnog sustava za proizvodnju energije, kapacitet za proizvodnju energije fotonaponskih ploča i lokalni uvjeti svjetla. Na primjer, potrebno je odrediti odgovarajući kapacitet baterije kako bi se osiguralo da se osnovna potražnja za električnom energijom može ispuniti u slučaju kontinuiranih oblačnih dana. Istodobno, također je potrebno obratiti pažnju na upravljanje punjenjem i pražnjenje baterije, usvojiti razumnu strategiju punjenja i pražnjenja, proširiti servisni vijek baterije i smanjiti troškove skladištenja energije.

Kontroler je "pametna domaćica" sustava za proizvodnju solarne energije. Odgovoran je za nadzor i kontrolu cijelog sustava za proizvodnju energije kako bi se osigurao siguran i stabilan rad sustava. Kontroler uglavnom ima sljedeće važne funkcije:

Prva je funkcija kontrole naboja i pražnjenja. Može nadzirati napon, struju i druge parametre grupe baterije u stvarnom vremenu i automatski kontrolirati postupak punjenja fotonaponske ploče na bateriju prema statusu punjenja baterije i radnim uvjetima sustava za proizvodnju električne energije kako bi se baterija spriječila prekomjerna ili prekomjerna punjenja. Kad se baterija u potpunosti napuni, regulator će automatski odsjeći krug punjenja kako bi se izbjeglo oštećenje baterije uzrokovane prekomjernom punjenjem; A kad je napajanje baterije preniska, kontroler će kontrolirati kako bi prestao pražnjenje kako bi zaštitio servisni vijek baterije.

Drugi je maksimalna funkcija kontrole praćenja točke snage. Kontroler može u stvarnom vremenu prilagoditi radno stanje fotonaponske ploče radeći u kombinaciji s pretvaračem, tako da uvijek radi u blizini maksimalne točke snage, poboljšavajući na taj način učinkovitost proizvodnje energije fotonaponske ploče.

Osim toga, kontroler također ima dijagnozu i zaštitu sustava. Može nadzirati svaku komponentu u sustavu za proizvodnju električne energije u stvarnom vremenu. Jednom kada se otkrije greška, kao što je kratki spoj na fotonaponskoj ploči, pregrijavanje pretvarača, istjecanje baterije itd., Kontroler će odmah poduzeti odgovarajuće mjere zaštite, poput uklanjanja kruga grešaka i izdavanja alarma, kako bi se osigurao sigurni rad cijelog stvaranja energije i olakšati osoblje održavanja i popravljanja.

Kontroleri koji se koriste u sustavima za proizvodnju solarne energije različitih vrsta i veličina također su različiti. U malim sustavima za proizvodnju solarne energije obično se koristi relativno jednostavan integrirani kontroler. Integrira osnovne funkcije kao što su kontrola punjenja i pražnjenja i maksimalna kontrola praćenja točke snage. Mala je veličine i niske troškove, a pogodna je za male scenarije aplikacija kao što su kućni fotonaponski sustavi na krovu. U velikim stanicama solarne energije potreban je snažniji i inteligentniji centralizirani kontroler. Može jednolično nadzirati i upravljati mnogim fotonaponskim pločama, pretvaračima, baterijskim paketima i drugom opremom u cijeloj elektrani kako bi se postigla učinkovitija i preciznija kontrola sustava.

Kompletan sustav za proizvodnju solarne energije sastoji se od više komponenti kao što su fotonaponski ploče, pretvarači, sustavi nosača, baterije i kontroleri koji rade zajedno. Svaka komponenta igra neophodnu ulogu. Oni zajedno rade na pretvaranju solarne energije u električnu energiju koju možemo koristiti, pridonoseći ostvarenju održivog razvoja energije. Uz kontinuirani napredak tehnologije i postupno smanjenje troškova, izgledi za aplikaciju sustava za proizvodnju solarne energije bit će šire i očekuje se da će zauzeti važniju poziciju u budućem energetskom polju.