Güneş Enerjisi 101 — Işığı Doğru Akıma Dönüştürme ve Şebekeye ve Bataryalara Bağlama

Güneş paneli doğrudan alternatif akım (AC) üretmez. Bir yarı iletken pn eklemi, bir fotonun enerjisini bir elektron ve bir deliğe ayırır; hücrelerin ürettiği doğru akım (DC) seri ve paralel olarak paketlenir ve MPPT (maksimum güç noktası takibi) ve bir güç düzenleyici bunu kullanılabilir elektriğe dönüştürür. Birkaç çatı panelinden devasa bir güneş enerjisi santraline, bataryalara ve elektrik piyasasına kadar her şeyi tek bir sistem olarak okumak, üretim grafiğini şebeke işlemlerine bağlar.

Büyük ölçekli fotovoltaik örnek

Resim: Photovoltaic Travers Güneş Enerjisi Çiftliğindeki Paneller (Kkiefuik, CC BY 4.0), Wikimedia Commons. Bu makaledeki çıktı veya verimlilik rakamlarının doğrudan ölçümü değil, yerleşim planı fotoğrafıdır.

0. 30 saniyelik versiyon

• Bir güneş hücresinin çıktısı, voltaj V ve akım I'ün çarpımı P=VI ile belirlenir. Daha fazla ışınım esas olarak akımı artırır; daha yüksek sıcaklık voltajı düşürür.

• I-V eğrisinin tek bir maksimum güç noktası (MPP) vardır ve MPPT, DC-DC dönüştürücünün çalışma noktasını bu noktaya kadar takip eder. Gölgeleme, birden fazla yerel tepe noktası oluşturabilir.

• İnvertör, DC'yi AC'ye dönüştürür ve güç faktörünü, reaktif gücü, harmonikleri ve ada oluşumunu önlemeyi kontrol eder. Bir batarya ile öğlen saatlerindeki fazla enerji akşam saatlerine kaydırılabilir.

• Çatı üstü, tarımsal fotovoltaik, yüzer ve açık deniz kurulumlarının her biri, yerleşim yerine bağlı olarak farklı sıcaklık, yansıma, bakım, şebeke kapasitesi ve çevresel hususlarla karşı karşıyadır.

• Perovskitler, tandem hücreler, geri dönüşüm ve şebeke oluşturan inverterler araştırma aşamasındadır, ancak ömür, kapsülleme, kurşun yönetimi, bankacılık uygunluğu ve bakım açısından değerlendirilmesi gerekmektedir.

1. pn eklemi ışığı akıma dönüştürür

Diagram 1 · Use the button to switch views

Şekil 1 — İki PV sistemini karşılaştırmadan önce hücre dönüşümü, sıcaklık, gölgeleme, kablolama, güç koşullandırma ve kısıtlama kayıplarını ayırın.

Bir güneş hücresine çarpan bir fotonun enerjisi E_{ph}=hc/\lambda yarı iletkenin bant aralığını E_g aşarsa, bir elektron-delik çifti oluşur. pn ekleminin tükenme bölgesindeki elektrik alanı, ikisini zıt yönlerde ayırarak harici devre üzerinden akım oluşturur. İdealize edilmiş bir hücre akımı şu şekilde yazılabilir:

burada I_{ph} fotoakımdır, I_0 karanlık akım, q temel yük, n idealite faktörü ve T mutlak sıcaklık. Açık devre gerilimine yakın V_{oc} akım keskin bir şekilde düşer; kısa devre akımına yakın I_{sc} gerilim neredeyse sıfırdır. Bu eğrideki bükülme MPP'dir.

Hücreleri seri bağlamak gerilimi artırır; paralel bağlamak akımı artırır. Bir panelin bypass diyotları, kısmi gölgelemenin tüm hücre dizisini ters kutupladığı ve ısı ürettiği sıcak noktaları önler. Gölgeleme, kir, kar ve yaşlanma, her dizinin I-V eğrisini değiştirir, bu nedenle üretim izleme, gerilimi, akımı ve sıcaklığı birlikte kaydeder.

2. MPPT: Maksimum güç noktasının izlenmesi

Güç için maksimum koşul P(V)=V I(V)

Temsili MPPT yöntemleri arasında, çalışma voltajını hafifçe değiştirerek gücün nasıl tepki verdiğini izleyen Bozma ve Gözlem (tepe tırmanma) ve dI/dV=-I/V'i karşılamak için kontrol sağlayan Artımlı İletkenlik bulunur. Işınım aniden değiştiğinde, bu yöntemler yanlışlıkla önceki artışı veya azalışı takip edebilir; bu nedenle araştırmalar hava durumu sensörlerini, çoklu dizileri ve tahmine dayalı kontrolü birleştirir.

3. Güç düzenleyici ve şebeke bağlantısı

PV'nin DC çıkışı, bir yükseltici dönüştürücü, DC bağlantı kapasitörü ve bir H köprüsü veya üç fazlı invertör aracılığıyla AC'ye dönüştürülür. PLL aracılığıyla şebeke fazını izleyen ve akımı sinüs dalgasına dönüştüren şebeke takip kontrolü yaygın bir yaklaşımdır. Çatı üstü PV'nin şebeke kesintisi sırasında güç sağlamaya devam etmesi işçiler için tehlikeli olduğundan, ada oluşumunu önleme ve bağlantıyı kesme gereklidir.

Yüksek yenilenebilir enerji payına sahip zayıf şebekelerde, invertörün sadece şebeke voltajını izlemek yerine bir voltaj kaynağı gibi davrandığı şebeke oluşturma kontrolü giderek daha fazla tercih edilmektedir. Dikkat. Sanal senkron makineler, sanal osilatörler ve düşüş kontrolü, frekans sapmasına ve voltaj dalgalanmasına hızlı yanıt vermesini sağlar. Bu, güneş pilinin yarı iletkenini değiştirmekle ilgili değil; güç dönüştürücünün kontrol ve korumasını şebekenin tamamına uyarlamakla ilgilidir.

4. Işınım, sıcaklık ve montaj açısı

Düzlemdeki ışınım G [W/m²], modül alanı A ve dönüşüm verimliliği \eta ile anlık çıkış yaklaşık olarak şu şekilde hesaplanabilir:

Verimlilik \eta, sıcaklık katsayısıyla düşer. Çatı malzemesine olan mesafe, arka taraf havalandırması, montaj yapısı, azimut, eğim açısı ve yansıyan ışık, yıllık üretimi etkiler. Çift taraflı modüller, zemin yansıtıcılığını (albedo) kullanır, bu nedenle montaj yüzeyinin durumu bile - beyaz çakıl, kar, Tarım arazileri — tasarıma dahil edilmelidir.

Tarımsal fotovoltaik tesisler, mahsullere ulaşan ışığı çok fazla kesmekten, panel gölgelendirmesini yaymaktan ve tarım makinelerinin çalışma yüksekliği için yeterli boşluk bırakmaktan kaçınmalıdır. Yüzer kurulumlar, su yüzeyinin soğutma etkisini, demirlemeyi, dalgaları, kablolamayı ve algler ile su kalitesi üzerindeki etkisini değerlendirmelidir. Sadece üretimi en üst düzeye çıkarmak, mahsul verimi ve bakım kolaylığına karşı ödünleri göz ardı edebilir.

5. Bataryalar ve tahmin

Güneş enerjisi fazlası, akşam veya bulutlu havalarda deşarj için bir bataryayı şarj eder. Bataryanın enerji durumu E, güç komutu P_b ve gidiş-dönüş verimliliği \eta_{rt} kullanılarak şu şekilde güncellenebilir:

burada P_{ch} ve P_{dis} şarj ve deşarj gücü, \eta_c,\eta_d ise ilgili verimlilikleridir. SOC üst/alt Sınırlar, sıcaklık, bozulma ve ara bağlantı kapasitesi kısıtlamalar olarak dahil edilir. Bulut gölgesini birkaç dakika önceden tahmin etmek, pili kullanılabilir halde tutmak veya kısıtlamayı kabul etmek arasında seçim yapmanızı sağlar.

6. Mevcut teknoloji ve araştırma

Bugün tipik bir PV sistemi, kristal silikon hücreler, bir dizi veya mikro invertör, bir izleme ağ geçidi, devre kesiciler, topraklama/yıldırım koruması ve uygulanabilirse bir bataryadan oluşur. Performans karşılaştırmaları, nominal verimliliğin ötesine, kısmi yük verimliliğine, gece bekleme gücüne, MPPT voltaj aralığına, ark hatası tespitine, uzaktan yazılım güncellemelerine, yedek parçalara ve tuzlu hava/kar yükü derecelendirmelerine bakmalıdır.

Araştırmalar, silikonun üzerine farklı bant aralığına sahip bir perovskit istifleyen tandem hücrelere, kavisli yüzeylere uygulanabilen hafif ince filmlere, uzun ömürlü kapsüllemeye, kurşun geri kazanımına ve geri dönüşümüne, şebeke oluşturan invertörlere ve PV'yi bataryalar, hidrojen ve talep yanıtıyla birleştiren işlemlere odaklanmaktadır. Laboratuvar dönüşüm verimliliğinin yüksek olduğu yerlerde bile, büyük modül homojenliği, UV/nem/termal döngü, 25 yılı aşkın garantiler ve kullanım ömrü sonundaki kurtarma işlemleri, ticarileşmenin önündeki engeller olmaya devam etmektedir.

7. İzleme, bakım ve güvenlik

Çıktıdaki düşüşü bulmak, hava koşullarına göre normalize edilmiş beklenen değerleri gerçek ölçümlerle karşılaştırmak anlamına gelir. Dizi akımındaki anormallikleri, panel sıcaklık farklarını, invertör izolasyon direncini, ark hatası tespitini, bağlantı kutusu sigortalarını ve kablo konektörlerini kontrol edin. Drone kızılötesi görüntüleme, sıcak noktaları tespit edebilir, ancak yansıma, rüzgar ve ölçüm açısı bunu etkiler, bu nedenle anormallik tespiti elektriksel ölçümle çapraz kontrol edilmelidir.

DC arkları, bir devre kesici açıldıktan sonra bile devam edebilir. Çalışanlar, panel güneş ışığı aldığı sürece üretim voltajının mevcut olduğunu varsaymalı ve ilgili elektrik güvenlik düzenlemelerine ve üretici prosedürlerine uymalıdır. Aküler aynı yerde bulunduğunda, yangın müdahalesi - söndürme, izolasyon, yeniden ateşleme ve itfaiye ve elektrik şirketleriyle koordinasyon - plana dahil edilmelidir.

8. Sonuç

Güneş enerjisi, hücre fotodönüşümü, MPPT, DC-DC dönüştürme, invertör, transformatör, izleme, depolama ve şebeke koruması. Yıllık üretimi karşılaştırırken, ışınım, sıcaklık, gölgeleme, kir, bozulma, dönüştürme kaybı ve kısıtlamayı aynı koşullara göre hizalayın. Perovskitler veya şebeke oluşturan invertörler hakkında bilgi edinirken, tüm yaşam döngüsü boyunca gösterim ölçeği, dayanıklılık, bakım, geri dönüşüm ve güvenlik de dikkate alınmalıdır.

Referanslar

• Doğal Kaynaklar ve Enerji Ajansı — Yenilenebilir Enerji (Japonca)
• NREL — En İyi Araştırma Hücresi Verimlilik Tablosu
• IEA PVPS
• IEC 61724-1 — Fotovoltaik sistem performans izleme
• NREL — Şebeke oluşturucu invertör araştırması