Saulės fotovoltinės (PV) sistemos yra vienas iš esminių pasaulio energetikos perėjimo elementų, leidžiančių ypatingu ir sparčiai didėjančiu efektyvumu saulės šviesą tiesiogiai paversti elektros energija. Visiems, užsiimantiems įvairia veikla, pradedant įrengimu ir baigiant investicijomis arba politikos formavimu atsinaujinančios energijos srityje, labai svarbu žinoti, kaip šios sistemos veikia įvairiais lygiais, įskaitant atominio{1} lygio žinias apie puslaidininkines medžiagas ir į tinklą prijungtus keitiklius.
Fotovoltinis efektas: pagrindinis principas
Fotovoltinis efektas, kuris yra pagrindinė saulės kolektorių koncepcija, yra painus fizinis reiškinys, įtrauktas į prancūzų mokslininko Edmondo Becquerel 1839 m. tyrimus. Šis reiškinys susijęs su fotonų, saulės šviesos dalelių, perdavimu puslaidininkių medžiagoms ir sukeliančių elektronų sužadinimą.
Saulės kolektoriai dažniausiai gaminami iš tam tikros puslaidininkinės medžiagos, vadinamos kristaliniu siliciu. Silicio, tinkamo saulės kolektoriams, gamybos procesas apima kelis veiksmus, įskaitant jo „dopingą“ su priemaišomis, kad būtų sukurti du skirtingi sluoksniai. Vienas sluoksnis vadinamas n-tipo sluoksniu ir turi papildomų elektronų, o kitas sluoksnis yra p-tipo sluoksnis, kuris generuoja elektronų trūkumus (skyles). Dviejų sluoksnių susikirtimo taškas vadinamas p-n sandūra ir turės vidinius elektrinius laukus dėl elektronų judėjimo dėl energijos ir vėliau susidarančių krūvių, kai n-tipo sluoksnyje yra daugiau elektronų, o p- tipo sluoksnyje yra skylių. Todėl, apšviečiant saulės baterijas, susidaro įtampos skirtumas ir dėl to susidaro nemaža nuolatinės srovės elektros įtampa.
Nors viena saulės baterija generuoja mažai energijos (svyruoja nuo 0,5 iki 0,6 volto ir tik kelis vatus), todėl norint generuoti daugiau elektros energijos, reikia sujungti keletą plokščių.
Nuo nuolatinės srovės iki kintamosios srovės: esminis keitiklio vaidmuo
Saulės baterijos gamina nuolatinę srovę, tačiau dauguma buitinės technikos ir elektros tinklų naudoja kintamąją srovę. Norint konvertuoti nuolatinę elektros energiją į kintamosios srovės elektros energiją, būtinas keitiklis. Inverteris yra žinomas kaip saulės sistemos „smegenys“, nes jis atlieka konversiją.
Šiuolaikiniame pasaulyje inverteriai atlieka daugiau nei tik konvertavimą. Inverteriai naudoja naujausią didžiausios galios taško sekimo (MPPT) technologiją, kuri yra skirta padėti nuolat reguliuoti elektros apkrovą. Tai garantuoja didžiausią įmanomą elektros energijos kiekį, nepaisant oro sąlygų.
Inverteriai siūlo svarbias stebėjimo ir saugos funkcijas. Jie gali aptikti elektros energijos tiekimo sutrikimus ir patys išsijungti (apsauga nuo -salų), neleidžianti grąžinti elektros energijos į elektros linijas ir taip užtikrinti darbuotojų saugumą. Daugybė naujų keitiklių, įtaisytų-stebėjimo įrankių, padedančių naudotojams išmatuoti sistemos būseną, rasti gedimus ir valdyti elektros suvartojimą realiuoju laiku-, naudojant programas mobiliesiems arba internetines sistemas.
Sistemos ir kitų komponentų balansas
Visą saulės energijos sistemą, be keitiklių ir skydų, sudaro įvairūs -sistemos-komponentų balansai (BOS). Tokie komponentai apima tvirtinimo sistemas (stogo stelažus, žemės atraminius rėmus arba saulės sekimo sistemas), elektros instaliaciją ir vamzdžius, jungiamąsias dėžutes, skyriklius, apsaugos nuo perkrovos įrenginius ir, tam tikromis situacijomis, stebėjimo ir ryšio įrangą.
Ant stogo įrengtoms saulės kolektorių sistemoms svarbu užtikrinti teisingą montavimą, kad konstrukcija išliktų stabili ir neatsirastų nuotėkių, o plokštės išliktų optimalioje padėtyje ir pakryptų. Šiaurinėje Žemės rutulio dalyje saulės baterijos yra išdėstytos į pietus, pasvirimo kampas artimas vienos platumos kampui, kad būtų užtikrinta maksimali elektros gamyba. Vienos ir dviejų ašių -sekimo įtaisai gali būti naudojami antžeminėse-sistemose, kurios padeda padidinti energijos gamybą 15–25 %, atsižvelgiant į tai, kad saulės spindulius saulės spinduliai gauna visą dieną. Tačiau tokių sistemų naudojimas turi ir minusų.
Našumas, pablogėjimas ir efektyvumas
Paprastai saulės sistemos našumas vertinamas pagal jos talpos koeficientą, kuris yra skaičius, atspindintis per tam tikrą laikotarpį pagamintos energijos kiekį, o ne maksimalią energiją, kurią galima pagaminti, jei saulės sistema veiktų visu pajėgumu 100 % laiko. Fiksuotų -pakreiptų PV sistemų talpos koeficientas yra 10 % - 20 %, atsižvelgiant į tokius veiksnius kaip vieta; tačiau stebėjimo sistemų talpos koeficientas yra šiek tiek didesnis nei fiksuotų -pakreiptų PV sistemų – nuo 20 % iki 30 %.
Laikui bėgant visos saulės baterijos palaipsniui praranda efektyvumą, o jų efektyvumas mažėja 0,5 % - 1 % per metus. Beveik visi gamintojai savo saulės kolektoriams suteikia 25–30 metų garantiją, taip užtikrindami, kad pasibaigus šiam laikotarpiui saulės baterijų efektyvumas nenukris žemiau 80% iki 85% pradinio vardinio naudingumo koeficiento.
Sistemos efektyvumas taip pat priklauso nuo temperatūros: saulės elementai yra mažiau veiksmingi esant aukštesnei temperatūrai -reiškinys, žinomas kaip temperatūros koeficientas. Tipiški kristalinio silicio elementai praranda apie 0,3–0,5 procento savo produkcijos vienam laipsniui Celsijaus aukštesnėje nei 25 laipsnių temperatūroje. Tinkama ventiliacija ir montavimas, leidžiantis oro srautui už plokščių, gali padėti sumažinti šį poveikį.
Kelionė nuo saulės šviesos į lizdą
Kalbant apie tipišką su tinklu susietą buitinę saulės energijos sistemą, ji veikia taip: Pirma, saulės šviesa patenka į plokštes, kurios sukuria nuolatinės srovės elektros energiją. Srovė pasiekia keitiklį, kuris paverčia jį kintamosios srovės srove. Inverteris nuolat stebi elektros tinklo parametrus, leidžiančius jam pasiekti pastovų dažnį ir įtampą. Po to elektra siunčiama į pagrindinį namo skydą, kuris ją tiekia įvairiems prietaisams. Verta paminėti, kad elektros gamybos piko valandomis (kai gaminamas didžiausias saulės energijos kiekis) elektra grąžinama atgal į tinklą dėl tinkamai veikiančio skaitiklio, kuris pagal grynąją apskaitą gali suktis į kitą pusę. Naktį procesas vyksta atvirkščiai – namas pradeda vartoti energiją iš tinklo įprasta prasme, o tai lemia tik reguliarų skaitiklio sukimąsi į priekį.
Išmaniąsias sistemas galima naudoti kartu su išmaniaisiais energijos valdymo sprendimais namuose, nes jos leidžia daug energijos vartojančius prietaisus (pvz., indaploves ir elektromobilių įkrovimo įrenginius) perkelti į didžiausios saulės energijos gamybos momentus.
Išvada
Saulės energijos sistema yra sudėtinga puslaidininkių fizikos, galios elektronikos, konstrukcijų inžinerijos ir programinės įrangos intelekto integracija. Nuo kvantinio-lygio elektronų judėjimo silicyje iki vientisos sinchronizacijos su komunaliniu tinklu – kiekvienas komponentas veikia harmoningai, kad gausų, laisvą ir švarų išteklių-saulės šviesą-paverstų patikima, pagal poreikį reikalinga elektra, kuri maitina šiuolaikinį gyvenimą. Pramonei ir toliau diegiant naujoves naudodami didesnio-efektyvumo elementus, išmanesnius keitiklius ir įperkamus saugojimo sprendimus, pagrindiniai darbo principai tebėra paremti fotovoltiniu efektu – šimtmečio -senumo atradimu, kuris dabar keičia pasaulinę energetikos aplinką. Šių principų supratimas nėra tik akademinis užsiėmimas; tai pagrindas, ant kurio kuriama tvari energetikos ateitis.
