СЪВРЕМЕННИ ФОТОВОЛТАИЧНИ СИСТЕМИ. Критерии за класификация и основни елементи.
Технологиите за оползотворяване на слънчевата енергия са сред приоритетните направления в развитието на енергетиката в световен мащаб. Известно е, че за момента себестойността на произведената от фотоволтаични системи електроенергия все още не е конкурентна на традиционно използваните технологии. Въпреки това, общоевропейската политика включва все по-широкото им използване. И неслучайно през последните години и у нас се наблюдава инвестиционен интерес към проекти, включващи изграждането на слънчеви централи за производство на електроенергия.
Класификация на фотоволтаичните системи
Фотоволтаичните системи се отличават с голямо конструктивно разнообразие, което определя и големия брой критерии за класифицирането им. Спрямо типа на използваните фотоволтаични клетки се предлагат фотоволтаици, изградени от монокристален силиций, поликристален силиций, кадмиев телурит, както и елементи с тънкослойна структура. Освен тях съществуват и други видове фотоволтаични клетки, включително съвсем нови, които все още се намират на експериментален етап на развитие.
Начинът на присъединяване на електрическия товар също е сред основните критерии за класификация на фотоволтаичните системи. Спрямо него, фотоволтаичните системи се делят на автономни, хибридни и неавтономни (свързани с електрическата мрежа).
Със и без концентратори и отражатели
Начинът на концентриране на светлината е друг критерий, по който могат да се класифицират фотоволтаичните системи. Според него системите са два вида - използващи директна слънчева светлина (без концентриране), и системи с концентратори и отражатели. Концентраторите и отражателите на слънчевата светлина (системи от огледала и лещи) могат силно да повишат плътността на лъчистата енергия, съсредоточена върху единица площ от фотоволтаичната клетка. Съществуват клетки, които работят по-добре при по-висока плътност на радиацията, но за момента те са скъпи и все още са в процес на изследване. Обикновените, масово използвани клетки прегряват при концентриране на твърде голям лъчист поток върху тях.
Друг критерий е ориентацията на фотоволтаичните панели
Предлагат се статични панели - с фиксирана ориентация спрямо Слънцето, както и следящи системи, които позволяват ориентация по една или две оси. При системите с една ос на следене обикновено се проследява движението на Слънцето в рамките на деня - от изгрев до залез. От своя страна, при системите с възможност за движение по две оси панелите се позиционират сезонно, отчитайки положението на Слънцето спрямо хоризонта.
Позиционирането на фотоволтаичните панели се използва, за да се осигури перпендикулярност между вектора на падащата светлина и равнината на фотоволтаика, като по този начин се осигурява нейното максимално използване. Изградените по света фотоволтаични централи с позициониране на фотоволтаиците показват сериозен ефект в сравнение със статичните системи. Въпреки това обаче, по ред причини - и технически, и икономически, инвеститорите за момента предпочитат основно статични панели, наклонени под ъгъл, равен на географската ширина в мястото на инсталиране.
Съществуват достатъчно основания да се каже, че в момента най-разпространени са фотоволтаичните централи, изградени с елементи от монокристален и поликристален силиций, без концентратори и отражатели и без позициониране.
Автономни фотоволтаични инсталации
Този тип системи обикновено са с инсталирана мощност до няколко десетки kWp. Основното им приложение е осигуряване на електроенергия в места, в които отсъства централно електрозахранване. Приложната област на автономните фотоволтаични системи е разнообразна, например различни съоръжения, които работят в отдалечени от централната мрежа места, например - маломощни предаватели за телекомуникационната индустрия, отдалечени вили, хижи и др. В някои държави с такива фотоволтаични системи се захранват светещи надписи по магистралите извън населените места, осветяват се преносими табели и временни заграждения. В редица национални паркове, от екологични съображения, автономните фотоволтаични системи са единствените източници на електроенергия в заслоните, където се използват не за осветление, а за задвижване на съоръженията за преработка на биологичните отпадъци от посетителите. Според наличната информация най-големият пазар на автономни фотоволтаични системи в световен мащаб е в САЩ. Причина за това е и фактът, че 8% от населението на държавата живее на места без централна електрификация.
Базови елементи на автономните системи
Основни елементи на една автономна система са фотоволтаични панели, управлявани от контролер, акумулаторна батерия и инвертор. Контролерът осигурява оптимална работа на фотоволтаичните панели, като поддържа работната им точка винаги в зоната на максимална мощност. На фигура 1 е показана зависимостта на мощността от напрежението на фотоволтаичен панел, състоящ се от 48 силициеви клетки (две паралелно свързани групи, всяка с 24 серийно присъединени клетки). Видно е, че кривата има ясно изразен максимум. Контролерът има за задача да поддържа напрежението на фотоволтаичния панел на стойност от около 17 V, за да се осигури максимум на генерираната мощност. В случай че напрежението нарасне над 18,5 V, панелът ще работи в режим на празен ход, т.е. големината на тока ще клони към нулата. Ако клетката се експлоатира в режим, близък до късо съединение, токът ще е голям, но напрежението малко, което на практика означава отново малка полезна мощност.
При промяна на условията на осветяване на фотоволтаичния панел, оптималната работна точка се измества. Следователно, задачата на контролера е да “проследява” изместването на работната точка във времето и да поддържа работата на клетката непрекъснато в оптималната зона. Описаният процес е познат и с абревиатурата МРРТ (maximum power point tracking).
За сравнение на фигури 2 и 3 са показани зависимостите на мощността от напрежението на същия фотоволтаичен панел, но при различна степен на частично затъмняване. Ясно се вижда, че точката на максимална мощност би могла да се измести значително в зависимост от условията на работа. Също така са възможни локални максимуми в кривата. Следователно, изборът на контролер е много важен, тъй като той би следвало да поддържа възможността да открие глобалния максимум и да осигури работа на панела именно в точката на глобалния, а не в локалния максимум.
Също така в немалък брой приложения контролерът осигурява и оптимален режим на заряд на акумулаторната батерия
Нейното предназначение е да акумулира излишната енергия, генерирана от фотоволтаиците през светлата част на денонощието, и да я отдава през нощта, поддържайки непрекъснато електрозахранването на консуматорите. Известно е, че към постояннотоковите шини биха могли да се свържат директно постояннотоковите консуматори. Такива са някои видове осветители, телевизори, радиоапарати, хладилници и др.
Роля на инвертора в автономните системи
Задачата на инвертора е да преобразува постоянното напрежение в променливо с промишлена честота, което позволява директно захранване на всички консуматори, стандартно изпълнение. Разбира се, възможно е системата да бъде ограничена само до постояннотоковата си част, без инвертор и възможност за захранване на променливотокови консуматори. Такова е изпълнението на най-маломощните инсталации, например системи, предназначени за захранване на преносимо оборудване, като светещи табели, временни осветители и др. Автономните фотоволтаични системи без инвертор, напълно логично, са и най-евтините. Използването на инвертор дава възможност автономната фотоволтаична инсталация да осигури енергия с показатели, идентични с тези на централното електроснабдяване. Качеството на електроенергията е на приемливо ниво както по честота, така и по ниво. За най-маломощните инсталации обаче инверторите се явяват сериозно оскъпяване. Блокова схема на примерна автономна фотоволтаична инсталация е показана на фиг. 4.
Неавтономни фотоволтаични инсталации
Основната разлика между слънчевите системи, свързани към мрежата (фиг. 5), и автономните системи е в инвертора. Той трябва да осигурява надеждна работа в паралел със захранващата мрежа. През светлата част на денонощието инверторът работи в генераторен режим, позволявайки енергията от фотоволтаика да се отдаде в захранващата мрежа. През нощта или при недостатъчно слънцесветене инверторът преминава в изправителен режим. Той вече се явява консуматор за захранващата мрежа и осигурява захранване, както и подзаряд на акумулаторната батерия.
Когато става въпрос за електрическа централа, предназначена единствено за производство и продажба на електроенергия, акумулаторната батерия би могла да отсъства. Обикновено системата включва батерия с малък капацитет, която осигурява непрекъсваемо оперативно напрежение. При слънчевите централи товарът на постояннотоковите шини се интерпретира като собствени нужди на централата. В този случай не е необходимо инверторът да е обратим. Поставят се обаче много по-сериозни изисквания към качеството на променливотоковата електроенергия, която той осигурява.
Хибридни фотоволтаични исталации
В случаите, когато фотоволтаиците не са единственият локален източник на енергия, системите обикновено се наричат хибридни. На фигура 6 е показана блокова схема на система с фотоволтаици и вятърен генератор. Комбинирането на различни възобновяеми източници на електроенергия увеличава едновременно и капацитета, и надеждността на инсталацията.
