מלוחות פוטו -וולטאיים ועד הממירים: הסבר מפורט להרכב מערכת ייצור כוח סולארי שלם

על רקע הסנגור הגלובלי של אנרגיה בת קיימא, אנרגיה סולארית, כמקור אנרגיה נקי ומתחדש, נכנסת בהדרגה לחיינו. מערכות לייצור חשמל סולארי משכו יותר ויותר תשומת לב להגנת הסביבה, חיסכון באנרגיה ויתרונות רבים אחרים. אז איך מורכבת מערכת ייצור חשמל סולארית מלאה? נתחיל עם הרכיב הבסיסי ביותר - לוחות פוטו -וולטאיים.

לוחות פוטו -וולטאיים, הידועים גם בשם פאנלים סולאריים, הם אחד מרכיבי הליבה של מערכות ייצור חשמל סולארי. הם מתנהגים כמו "לכידה" יעילה האחראית להמרת אור שמש לאנרגיה חשמלית. עיקרון העבודה שלו מבוסס על "האפקט הפוטו -וולטאי" המפורסם. כאשר אור השמש זורח על לוח פוטו-וולטאי, פוטונים מקיימים אינטראקציה עם חומר המוליכים למחצה בפאנל הפוטו-וולטאי כדי לעורר זוגות חור אלקטרונים. אלקטרונים וחורים אלה נעים בכיוונים שונים תחת פעולת השדה החשמלי בתוך חומר המוליכים למחצה, ויוצרים זרם חשמלי.

לוחות פוטו -וולטאיים מורכבים בדרך כלל מיחידות תאים סולאריים מרובים. מרבית יחידות התאים הללו עשויות מחומרי סיליקון, מהם תאי סיליקון מונוקריסטליים ותאי סיליקון פוליקריסטליים הם הנפוצים ביותר. לתאי סיליקון מונוקריסטליים יש יעילות המרה גבוהה, בדרך כלל מגיעים ל -20% - 25%, מה שאומר שהוא יכול להמיר 20% {}}}% מהאנרגיה הסולארית לאנרגיה חשמלית. תהליך הייצור שלו מורכב יחסית והעלות גבוהה יחסית, אך יש לה ביצועי ייצור חשמל יציבים וחיי שירות ארוכים של עד 25 - 30 שנים. יעילות ההמרה של תאי סיליקון פולי-קריסטלין נמוכה מעט יותר, כ- 15% {}}}%, אך עלות הייצור שלה נמוכה יחסית, ויש לה יתרונות אפקטיביות מסוימות ביישומים בקנה מידה גדול, וחיי השירות שלו יכולים גם להגיע לכ- {9}} שנים.

בנוסף לתאי סיליקון מונוקריסטליים ותאי סיליקון פוליקריסטליים, ישנם סוגים אחרים של לוחות פוטו -וולטאיים כמו סיליקון אמורפי, קדמיום טלוריד וסלניד אינדיום נחושת. לוחות פוטו -וולטאיים של סיליקון אמורפי הם בעלי היתרונות של גמישות טובה וניתן להפוך אותם לסרטים דקים. לעתים קרובות הם משמשים בסצינות מסוימות עם דרישות מיוחדות למראה או שטח התקנה, אך יעילות ההמרה שלהם נמוכה יחסית, בדרך כלל 6% - 12%. לוחות פוטו -וולטאיים של קדמיום טלוריד ונחושת אינדיום גליום סלניד פוטו -וולטאי יש פוטנציאל מסוים ביעילות ההמרה ובעלות, והתפתחו במהירות בשנים האחרונות, אך נתח השוק שלהם עדיין נמוך מזה של סיליקון מונוקריסטלי ופאנלים פוטו -וולטאיים של סיליקון.

הכוח שנוצר על ידי לוחות פוטו -וולטאיים הוא DC, בעוד שרוב המכשירים החשמליים שאנו משתמשים בהם בחיי היומיום שלנו דורשים AC כדי לעבוד כראוי. בשלב זה המהפך ממלא תפקיד מפתח. זה כמו "ממיר" קסום האחראי להמרת פלט DC של לוחות פוטו -וולטאיים ל- AC כדי לענות על צרכי הכוח של משתמשים שונים כמו משפחות וארגונים.

ישנם סוגים רבים של ממירים, והנפוצים הם ממירים ריכוזיים, ממירי מיתרים וממירי מיקרו. לממירים ריכוזיים יש כוח גבוה והם בדרך כלל מתאימים לתחנות כוח סולאריות גדולות. הוא אוסף את ה- DC שנוצר על ידי קבוצות ריבוי של פאנלים פוטו -וולטאיים וממיר אותן. היתרון הוא שהעלות נמוכה יחסית וקל לנהל ולתחזק באופן מרכזי, אך ברגע שמתרחשת תקלה, היא עשויה להשפיע על פעולת מערכת ייצור החשמל כולה. מהפך המיתרים ממיר את DC ל- AC בנפרד עבור קבוצות לוחיות פוטו -וולטאיות שונות, ואז מצטבר את AC. יש לו גמישות גבוהה יותר. גם אם למחרוזת מסוימת יש בעיות, זה לא ישפיע על הפעולה הרגילה של מיתרים אחרים. בנוסף, היא יכולה לשחק טוב יותר את יתרונות הביצועים שלה בתרחישי ההתקנה של לוחות פוטו -וולטאיים עם מיגון חלקי או כיוונים שונים. כיום הוא נמצא בשימוש נרחב בפרויקטים של ייצור חשמל פוטו -וולטאי מבוזר. מהפך המיקרו מותקן ישירות בגב כל לוח פוטו -וולטאי כדי להמיר את תפוקת הכוח DC של כל לוח פוטו -וולטאי בנפרד. התכונה הגדולה ביותר שלה היא שהיא יכולה לממש ניטור עצמאי ומעקב מקסימלי של נקודות כוח של כל לוח פוטו -וולטאי. גם אם לוח פוטו -וולטאי חסום או נכשל, לוחות פוטו -וולטאיים אחרים עדיין יכולים לעבוד כרגיל, מה שמשפר מאוד את היעילות ואת היציבות של ייצור החשמל של מערכת ייצור הכוח כולה. עם זאת, מכיוון שכל מהפך מיקרו תואם רק לוח פוטו -וולטאי אחד, עלותו גבוהה יחסית.

בתהליך המרת אנרגיה חשמלית, למהפך יש גם כמה פונקציות חשובות אחרות. לדוגמה, פונקציית מעקב אחר נקודת החשמל המרבית (MPPT) יכולה לפקח על כוח הפלט של הלוח הפוטו -וולטאי בזמן אמת ולהתאים אוטומטית את פרמטרי העבודה כך שהפאנל הפוטו -וולטאי עובד תמיד בסמוך לנקודת הכוח המרבית, ובכך משפר את יעילות ייצור החשמל. בנוסף, למהפך יש גם פונקציות הגנת בטיחות כמו הגנה על מתח יתר, הגנה על זרם יתר והגנה על דליפות כדי להבטיח את הפעולה היציבה של מערכת ייצור החשמל ובטיחות כוח האדם והציוד.

על מנת שהפאנלים הפוטו -וולטאיים יקבלו טוב יותר אור שמש, יש צורך במבנה תמיכה יציב, שהוא מערכת הסוגריים. מערכת הסוגריים היא כמו "גיבוי מוצק" לפאנלים פוטו -וולטאיים. זה לא רק נושא את משקל הפאנלים הפוטו -וולטאיים עצמם, אלא גם מתנגד לגורמים סביבתיים טבעיים שונים, כמו רוח, גשם, שלג וכו '.

ניתן לחלק מערכות סוגריים לשני סוגים: קבוע ומעקב. סוגריים קבועים פשוטים להתקנה ועלות נמוכה. הם מתקנים לוחות פוטו -וולטאיים על האדמה, הגג או הבניינים האחרים בזווית מסוימת ובכיוון. זווית ההתקנה של סוגר זה מותאמת בדרך כלל בהתאם לתנאי הרוחב המקומיים וקרינת השמש כדי להבטיח כי לוחות פוטו -וולטאיים יוכלו לקבל אור שמש מספיק במשך רוב השנה. סוגריים מעקב הם אינטליגנטים יותר. הם יכולים להתאים אוטומטית את זווית הפאנלים הפוטו -וולטאיים בהתאם לשינויים במיקום השמש, כך שהפנלים הפוטו -וולטאיים תמיד נשארים בניצב או כמעט בניצב לאור השמש, ובכך למקסם את היעילות של לוחות פוטו -וולטאיים המקבלים אור שמש. סוגריים מעקב מחולקים בדרך כלל לשני סוגים: מעקב עם ציר יחיד ומעקב עם ציר כפול. סוגריים של מעקב עם ציר יחיד יכולים להסתובב לאורך ציר אחד (בדרך כלל הציר האופקי בכיוון המזרחי-מערבי או בציר הנוטה בכיוון צפון-דרום), ואילו סוגריים מעקב עם ציר כפול יכול להסתובב בו זמנית בשני צירים, עם דיוק מעקב גבוה יותר, אך עלויות גבוהות יחסית.

בבחירת מערכת סוגריים, יש לקחת בחשבון גורמים רבים באופן מקיף. לדוגמה, הטופוגרפיה של אתר ההתקנה, האזור הזמין, תנאי האקלים המקומיים והתקציב. לפרויקטים קטנים של ייצור חשמל פוטו -וולטאי מבוזר, כמו מערכות פוטו -וולטאיות על גג הבית, בדרך כלל נבחרים סוגריים קבועים בגלל שטח התקנה מוגבל ורגישות עלות. בתחנות כוח פוטו -וולטאיות קרקעיות גדולות, אם תנאי האתר מאפשרים ומבקשים יעילות גבוהה יותר לייצור חשמל, סוגריים מעקב עשויים להיות בחירה טובה יותר.

במערכות ייצור חשמל סולארי, חבילות הסוללות ממלאות את התפקיד של "מחסן אחסון" של אנרגיה חשמלית. כאשר יש אור שמש מספיק, החשמל שנוצר על ידי לוחות פוטו -וולטאיים יכול לשמש את המשתמשים באופן מיידי, וניתן לאחסן את עודפי החשמל בחבילת הסוללה. במקרה של אור שמש לא מספיק בלילה או בימים מעוננים, חבילת הסוללה משחררת את החשמל המאוחסן כדי לספק למשתמשים אספקת חשמל רציפה ויציבה.

סוגים נפוצים של סוללות כוללים סוללות חומצות עופרת, סוללות הידריד מתכת ניקל וסוללות ליתיום-יון. סוללות עופרת-חומצה הן אחת מסוללות אחסון האנרגיה הנפוצות ביותר. יש להם את היתרונות של עלות נמוכה, טכנולוגיה בוגרת ותחזוקה קלה. עם זאת, צפיפות האנרגיה שלהם נמוכה יחסית, הנפח והמשקל שלהם גדולים וחיי מחזור המטען והפריקה שלהם הם בדרך כלל סביב 300-500 פעמים. הביצועים של סוללות ניקל-מתכת הידריד טובה יותר מזו של סוללות חומצות עופרת. יש להם צפיפות אנרגיה גבוהה יותר, חיי מחזור מטען ופריקה ארוכים יותר (עד 1, 000 פעמים), והם ידידותיים לסביבה, אך עלותם גבוהה יחסית. לסוללות ליתיום-יון יתרונות משמעותיים כמו צפיפות אנרגיה גבוהה, נפח קטן, משקל קל, יעילות מטען ופריקה גבוהה וחיי מחזור ארוכים (בדרך כלל עד 1, 500-3, 000 פעמים), אך עלותן גבוהה יחסית. בתרחישים מסוימים של יישומים רגישים בעלויות, הקידום שלהם כפוף למגבלות מסוימות.

בעת תכנון וקביעת תצורה של חבילות סוללות, יש לקחת בחשבון באופן מקיף גורמים כמו דרישת החשמל בפועל של מערכת ייצור הסולארי, קיבולת ייצור החשמל של הפאנלים הפוטו -וולטאיים ותנאי האור המקומיים. לדוגמה, יש לקבוע את יכולת הסוללה המתאימה כדי להבטיח שניתן יהיה לעמוד בביקוש החשמל הבסיסי של המשתמשים במקרה של ימים מעוננים רציפים. יחד עם זאת, יש צורך לשים לב לניהול הטעינה והפריקה של הסוללה, לאמץ אסטרטגיית טעינה ופריקה סבירה, להאריך את חיי השירות של הסוללה ולהפחית את עלות אחסון האנרגיה.

הבקר הוא "עוזרת הבית החכם" של מערכת ייצור הסולארי. זה אחראי על ניטור ובקרה על מערכת ייצור החשמל כולה כדי להבטיח את הפעולה הבטוחה והיציבה של המערכת. לבקר בעיקר יש את הפונקציות החשובות הבאות:

הראשון הוא פונקציית בקרת הטעינה והפריקה. זה יכול לפקח על המתח, הזרם והפרמטרים האחרים של קבוצת הסוללות בזמן אמת, ולשלוט אוטומטית בתהליך הטעינה של הלוח הפוטו-וולטאי לסוללה בהתאם למצב הטעינה של הסוללה ותנאי העבודה של מערכת ייצור החשמל כדי למנוע את טעינת הסוללה או חריגה יתר על המידה. כאשר הסוללה טעונה במלואה, הבקר ינתק אוטומטית את מעגל הטעינה כדי למנוע נזק לסוללה הנגרמת כתוצאה מטעינת יתר; וכאשר עוצמת הסוללה נמוכה מדי, הבקר ישלוט כדי להפסיק לשחרר כדי להגן על חיי השירות של הסוללה.

השנייה היא פונקציית בקרת המעקב המרבית של נקודות החשמל. הבקר יכול להתאים את המצב העובד של הפאנל הפוטו -וולטאי בזמן אמת על ידי עבודה בשילוב עם המהפך, כך שהוא תמיד פועל ליד נקודת הכוח המרבית, ובכך לשפר את היעילות של ייצור החשמל של הפאנל הפוטו -וולטאי.

בנוסף, לבקר יש גם אבחון תקלות ומערכת פונקציות הגנה. זה יכול לפקח על כל רכיב במערכת ייצור החשמל בזמן אמת. ברגע שמתגלה תקלה, כמו קצר במעגל בפאנל הפוטו -וולטאי, התחממות יתר של המהפך, דליפת הסוללה וכו ', הבקר ינקוט מייד באמצעי הגנה תואמים, כמו ניתוק מעגל התקלות והנפקת אות אזעקה, כדי להבטיח את הפעולה הבטוחה של מערכת ייצור החשמל כולה ולהקל על אנשי התחזוקה כדי לתקן תקלות בפועל.

בקרים המשמשים במערכות ייצור חשמל סולארי מסוגים וגדלים שונים גם הם שונים. במערכות ייצור חשמל סולארי קטנות משתמשים בדרך כלל בבקר משולב פשוט יחסית. זה משלב פונקציות בסיסיות כמו בקרת מטען ופריקה ובקרת מעקב מקסימאלית של נקודות חשמל. הוא קטן בגודל ונמוך בעלות, ומתאים לתרחישים של יישומים קטנים כמו מערכות פוטו -וולטאיות של גג הבית. בתחנות כוח סולאריות גדולות נדרש בקר ריכוזי חזק יותר ואינטליגנטי יותר. זה יכול לפקח באופן אחיד ולנהל לוחות פוטו -וולטאיים רבים, ממירים, חבילות סוללות וציוד אחר בכל תחנת הכוח כדי להשיג בקרת מערכת יעילה ומדויקת יותר.

מערכת שלמה של ייצור חשמל סולארי מורכבת מרכיבים מרובים כמו לוחות פוטו -וולטאיים, ממירים, מערכות סוגריים, חבילות סוללות ובקרים העובדים יחד. כל רכיב ממלא תפקיד חיוני. הם עובדים יחד כדי להמיר אנרגיה סולארית לחשמל בה אנו יכולים להשתמש, ותורמים למימוש פיתוח אנרגיה בר -קיימא. עם התקדמות מתמדת של הטכנולוגיה וההפחתה ההדרגתית של העלויות, סיכויי היישום של מערכות ייצור חשמל סולארי יהיו רחבות יותר וצפויים לתפוס עמדה חשובה יותר בתחום האנרגיה העתידית.