Alates fotogalvaanilistest paneelidest kuni muunduriteni: üksikasjalik seletus tervikliku päikeseenergia tootmissüsteemi koostise kohta

Jätkusuutliku energia ülemaailmse propageerimise taustal siseneb päikeseenergia kui puhas ja taastuvenergia allikas järk -järgult meie ellu. Päikeseenergia tootmissüsteemid on pälvinud üha enam tähelepanu nende keskkonnakaitse, energiasäästu ja paljude muude eeliste eest. Niisiis, kuidas koosneb täielik päikeseenergia tootmissüsteem? Alustame kõige olulisema komponendiga - fotogalvaanilised paneelid.

Fotogalvaanilised paneelid, tuntud ka kui päikesepaneelid, on päikeseenergia tootmissüsteemide üks põhikomponente. Need toimivad nagu tõhus "püüdmine", mis vastutab päikesevalguse elektrienergiaks muundamise eest. Selle tööpõhimõte põhineb kuulsal "fotogalvaanilisel efektil". Kui päikesevalgus paistab fotogalvaanilisel paneelil, interakteeruvad footonid fotogalvaanilise paneeli pooljuhtmaterjaliga, et stimuleerida elektron-augupaare. Need elektronid ja augud liiguvad erinevates suundades elektrivälja toimingu all pooljuhtmaterjalis, moodustades elektrivoolu.

Fotogalvaanilised paneelid koosnevad tavaliselt mitmest päikeseelemendist. Enamik neist rakuüksustest on valmistatud ränimaterjalidest, millest kõige tavalisemad on monokristallilised ränirakud ja polükristallilised ränirakud. Monokristallilistel ränirakkudel on kõrge muundamise efektiivsus, ulatudes üldiselt 20% - 25%, mis tähendab, et see võib teisendada 20% - 25% päikeseenergiast elektrienergiaks. Selle tootmisprotsess on suhteliselt keeruline ja kulud on suhteliselt kõrged, kuid sellel on stabiilne energiatootmise jõudlus ja pikk kasutusaeg kuni 25 - 30 aastat. Polükristalliliste ränirakkude muundamise efektiivsus on pisut madalam, umbes 15% - 20%, kuid selle tootmiskulud on suhteliselt madalad ja sellel on suuremahulistes rakendustes teatavaid kulutõhususe eeliseid ning ka selle tööiga võib ulatuda umbes 20 - 25 aastat.

Lisaks monokristallilisele räni- ja polükristallilistele ränirakkudele on ka muud tüüpi fotogalvaanilisi paneele nagu amorfne räni, kaadmium telluriid ja vask indium gallium seleniid. Amorfsel räni fotogalvaanilistel paneelidel on hea paindlikkuse eelised ja neid saab teha õhukesteks kiledeks. Neid kasutatakse sageli mõnes stseenis, millel on välimuse või paigaldusruumi erinõuded, kuid nende muundamise efektiivsus on suhteliselt madal, üldiselt 6% - 12%. Kadmium telluriidi ja vask -indium galliumseliseidi fotogalvaanilistel paneelidel on teatav potentsiaal muundamise efektiivsuses ja kuludes ning nad on viimastel aastatel kiiresti arenenud, kuid nende turuosa on endiselt madalam kui monokristallilise räni ja polükristallilise ränifotolvaatide paneelidel.

Fotogalvaaniliste paneelide tekitatud võimsus on alalisvool, samas kui enamik elektriseadmeid, mida me oma igapäevaelus kasutame, nõuavad vahelduvvoolu korralikult töötamist. Sel ajal mängib muundur võtmerolli. See on nagu maagiline "muundur", mis vastutab fotogalvaaniliste paneelide DC väljundi teisendamise eest vahelduvvooluks, et rahuldada erinevate kasutajate, näiteks perede ja ettevõtete energiavajadusi.

Invertereid on mitut tüüpi ja tavalised on tsentraliseeritud muundurid, keelpillide muundurid ja mikro muundurid. Tsentraliseeritud muunduritel on suur võimsus ja need sobivad üldiselt suurte päikeseenergiajaamade jaoks. See kogub DC, mille on loonud mitu fotogalvaanilise paneelirühma ja teisendab need. Eeliseks on see, et maksumus on suhteliselt madal ja seda on lihtne tsentraalselt hallata ja hooldada, kuid kui rikke ilmneb, võib see mõjutada kogu elektritootmise süsteemi toimimist. Stringi muundur teisendab DC erinevate fotogalvaaniliste paneelirühmade jaoks eraldi ja seejärel agregeerib need vahelduvvoolu. Sellel on suurem paindlikkus. Isegi kui teatud stringil on probleeme, ei mõjuta see muude keelpillide normaalset toimimist. Lisaks saab see paremini mängida oma jõudluse eeliseid osalise varjestuse või erineva orientatsiooniga fotogalvaaniliste paneelide paigaldamise stsenaariumide korral. Praegu kasutatakse seda laialdaselt hajutatud fotogalvaaniliste energiatootmise projektides. Mikromuundur paigaldatakse otse iga fotogalvaanilise paneeli tagaküljele, et teisendada iga fotogalvaanilise paneeli alalisvoolu väljund. Selle suurim omadus on see, et see suudab realiseerida iga fotogalvaanilise paneeli sõltumatu jälgimist ja maksimaalset võimsusega jälgimist. Isegi kui fotogalvaaniline paneel blokeeritakse või ebaõnnestub, võivad muud fotogalvaanilised paneelid siiski normaalselt töötada, mis parandab oluliselt kogu energiatootmise süsteemi energiatootmise tõhusust ja stabiilsust. Kuna iga mikromuundur vastab ainult ühele fotogalvaanilisele paneelile, on selle maksumus suhteliselt kõrge.

Elektrienergia teisendamise protsessis on muunduril ka muid olulisi funktsioone. Näiteks saab funktsioon Maksimaalne Power Pointi jälgimisfunktsioon (MPPT) jälgida fotogalvaanilise paneeli väljundvõimsust reaalajas ja reguleerida tööparameetreid automaatselt nii, et fotogalvaaniline paneel töötab alati maksimaalse võimsusepunkti lähedal, parandades seeläbi energiatootmise tõhusust. Lisaks on muunduril ka ohutuskaitsefunktsioonid, näiteks ülepinge kaitse, ülevoolukaitse ja lekkekaitse, et tagada elektritootmise süsteemi stabiilne töö ning personali ja seadmete ohutus.

Fotogalvaaniliste paneelide päikesevalguse paremaks vastuvõtmiseks on vaja stabiilset tugikonstruktsiooni, mis on sulgude süsteem. Sulgusüsteem on nagu fotogalvaaniliste paneelide "tahke alus". See ei kanna mitte ainult fotogalvaaniliste paneelide enda kaal, vaid ka vastutab mitmesugustele looduskeskkonnateguritele, näiteks tuul, vihm, lumi jne.

Sulgusüsteemid võib jagada kahte tüüpi: fikseeritud ja jälgimine. Fikseeritud sulgusid on lihtne paigaldada ja see on madalad. Need kinnitavad fotogalvaanilisi paneele maapinnal, katuse või muude hoonete teatud nurga ja orientatsiooni all. Selle sulgu paigaldusnurk on tavaliselt optimeeritud vastavalt kohalikele laiuskraadidele ja päikesekiirgustingimustele, et tagada fotogalvaaniliste paneelide saamine suurema osa aastast piisavat päikesevalgust. Sulgude jälgimine on intelligentsem. Nad saavad automaatselt reguleerida fotogalvaaniliste paneelide nurka vastavalt päikesepositsiooni muutustele, nii et fotogalvaanilised paneelid püsivad alati päikesevalgusega risti või peaaegu risti, maksimeerides sellega päikesevalgust vastuvõtvate fotogalvaaniliste paneelide tõhusust. Jälgimisklambrid jagunevad üldiselt kahte tüüpi: üheteljeliste jälgimine ja kaheteljelise jälgimine. Üheteljeliste jälgimisklambrid võivad pöörleda piki ühte telge (tavaliselt horisontaaltelje ida-läänesuunas või põhja-lõuna suunas kallutatud telg), samal ajal kui kaheteljelistel jälitusklambrid võivad samaaegselt pöörata kahes teljel, suurema jälgimise täpsusega, kuid suhteliselt suuremad kulud.

Klassisüsteemi valimisel tuleb paljusid tegureid põhjalikult kaaluda. Näiteks paigaldussaidi topograafia, saadaolev ala, kohalikud kliimatingimused ja eelarve. Väikeste hajutatud fotogalvaaniliste energiatootmise projektide, näiteks majapidamise katusekoodiga süsteemide jaoks valitakse fikseeritud sulgud tavaliselt piiratud paigaldusala ja kulutundlikkuse tõttu. Suuremates maapealsetes fotogalvaanilistes elektrijaamades, kui otsitakse koha tingimusi ja suuremat elektritootmise tõhusust, võivad sulgud olla parem valik.

Päikeseenergia tootmissüsteemides mängivad akupakid elektrienergia "hoiulao" rolli. Kui päikesevalgust on piisavalt, saavad kasutajad fotogalvaaniliste paneelide toodetud elektrit kohe kasutada ja liigset elektrit saab aku salvestada. Öösel või pilves päevadel ebapiisava päikesevalguse korral vabastab akukomplekt salvestatud elektri, et pakkuda kasutajatele pidevat ja stabiilset toiteallika.

Tavaliste patareide tüüpide hulka kuuluvad pliiakud, nikkel-metalli hüdriidi akud ja liitium-ioon akud. Pliihapete akud on üks enim kasutatavaid energiahoidlaid. Neil on odavate, küpsete tehnoloogiate ja hõlpsa hoolduse eelised. Kuid nende energiatihedus on suhteliselt madal, nende maht ja kaal on suured ning nende laengu- ja tühjendustsükli tööiga on tavaliselt umbes 300-500 korda. Nikkel-metalli hüdriidpatareide jõudlus on parem kui pliihapete akude puhul. Neil on suurem energiatihedus, pikem laengu- ja tühjendustsükli tööiga (kuni umbes 1, 000 korda) ja nad on keskkonnasõbralikud, kuid ka nende kulud on suhteliselt kõrged. Liitium-ioon patareidel on olulised eelised, näiteks kõrge energiatihedus, väike maht, kerge kaal, kõrge laengu ja tühjenemise efektiivsus ning pika tsükli tööiga (tavaliselt kuni 1, 500-3, 000 korda), kuid nende maksumus on praegu suhteliselt kõrge. Mõnede kulutundliku rakenduse stsenaariumide korral kehtivad nende reklaamimise teatud piirangud.

Akude kavandamisel ja konfigureerimisel on vaja põhjalikult arvestada selliste teguritega nagu päikeseenergia tootmissüsteemi tegelik energiavajadus, fotogalvaaniliste paneelide energiatootmisvõime ja kohalikud valgustingimused. Näiteks on vaja kindlaks määrata sobiv aku maht, et tagada kasutajate põhivajadus pidevate häguste päevade korral. Samal ajal on vaja pöörata tähelepanu ka aku laadimis- ja tühjendusjuhtimisele, võtta kasutusele mõistliku laadimis- ja tühjendusstrateegia, pikendada aku kasutusaega ja vähendada energia salvestamise kulusid.

Kontroller on päikeseenergia tootmissüsteemi "nutikas perenaine". Süsteemi ohutu ja stabiilse toimimise tagamiseks vastutab ta kogu elektritootmise süsteemi jälgimise ja juhtimise eest. Kontrolleril on peamiselt järgmised olulised funktsioonid:

Esimene on laengu- ja tühjenduse kontrolli funktsioon. See saab reaalajas jälgida akugrupi pinge-, voolu- ja muid parameetreid ning juhtida automaatselt fotogalvaanilise paneeli laadimisprotsessi aku suhtes vastavalt aku laadimise olekule ja elektritootmissüsteemi töötingimustele, et vältida aku ülelaadimist või ülekoormamist. Kui aku on täielikult laetud, katkestab kontroller laadimisahela automaatselt, et vältida ülelaadimisest põhjustatud aku kahjustusi; Ja kui aku võimsus on liiga madal, kontrollib kontroller aku kasutuselevõtmise kaotamiseks tühjendamist.

Teine on maksimaalne elektripunkti jälgimise juhtimisfunktsioon. Kontroller saab fotogalvaanilise paneeli tööseisundi reaalajas reguleerida, töötades koos muunduriga, nii et see kulgeb alati maksimaalse võimsuspunkti lähedal, parandades seeläbi fotogalvaanilise paneeli energiatootmise efektiivsust.

Lisaks on kontrolleril ka süsteemi rikke diagnoosimine ja kaitsefunktsioonid. See saab jälgida iga komponenti energiatootmissüsteemis reaalajas. Kui tõrge on tuvastatud, näiteks fotogalvaanilise paneeli lühise, muunduri ülekuumenemine, aku leke jne, võtab kontroller viivitamatult vastavad kaitsemeetmed, näiteks rikke vooluahela katkestamine ja häiresignaali väljaandmine, et tagada kogu elektritootmissüsteemi ohutu töö ja hõlbustada tõrkeotsikut ja remondiviisi.

Erinevat tüüpi ja suurusega päikeseenergia tootmissüsteemides kasutatavad kontrollerid on samuti erinevad. Päikeseenergia tootmissüsteemides kasutatakse tavaliselt suhteliselt lihtsat integreeritud kontrollerit. See integreerib sellised põhifunktsioonid nagu laengu ja tühjenduse juhtimine ning maksimaalne võimsuse jälgimise juhtimine. See on väikese suurusega ja madala hinnaga ning sobib väikeste rakendusstsenaariumide jaoks, näiteks kodukatuse fotogalvaaniliste süsteemide jaoks. Suurtes päikeseenergiajaamades on vaja võimsamat ja intelligentsemat tsentraliseeritud kontrollerit. See suudab ühtlaselt jälgida ja hallata paljusid fotogalvaanilisi paneele, muundureid, akukotte ja muid seadmeid kogu elektrijaamas, et saavutada tõhusam ja täpsem süsteemi juhtimine.

Täielik päikeseenergia tootmissüsteem koosneb mitmest komponendist, näiteks fotogalvaanilised paneelid, muundurid, sulgudesüsteemid, akukomplektid ja koos töötavad kontrollerid. Igal komponendil on hädavajalik roll. Nad teevad koostööd päikeseenergia muundamiseks elektriks, mida saame kasutada, aidates kaasa säästva energia arengu realiseerimisele. Tehnoloogia pideva edenemise ja kulude järkjärgulise vähendamise tõttu on päikeseenergia tootmissüsteemide rakendusväljavaated laiemad ja eeldatakse, et need on tulevases energiavaldkonnas olulisema positsiooni.