Des dels panells fotovoltaics fins als inversors: una explicació detallada de la composició d’un sistema complet de generació d’energia solar

En el context de l’advocacia global de l’energia sostenible, l’energia solar, com a font d’energia neta i renovable, entra gradualment a les nostres vides. Els sistemes de generació d’energia solar han atret cada cop més atenció per la seva protecció ambiental, l’estalvi d’energia i molts altres avantatges. Llavors, com es compon un sistema complet de generació d’energia solar? Comencem amb el component més bàsic: panells fotovoltaics.

Els panells fotovoltaics, també coneguts com a plaques solars, són un dels components bàsics dels sistemes de generació d’energia solar. Actuen com una "captura" eficient responsable de convertir la llum del sol en energia elèctrica. El seu principi de treball es basa en el famós "efecte fotovoltaic". Quan la llum del sol brilla sobre un panell fotovoltaic, els fotons interaccionen amb el material semiconductor del panell fotovoltaic per estimular els parells de forats d’electrons. Aquests electrons i forats es mouen en diferents direccions sota l’acció del camp elèctric dins del material semiconductor, formant un corrent elèctric.

Els panells fotovoltaics solen estar compostos per múltiples unitats de cèl·lules solars. La majoria d’aquestes unitats cel·lulars són de materials de silici, dels quals les cèl·lules de silici monocristal·lines i les cèl·lules de silici policristal·lines són les més comunes. Les cèl·lules de silici monocristal·lines tenen una alta eficiència de conversió, generalment arribant al 20% - 25%, cosa que significa que pot convertir un 20% - 25% de l’energia solar en energia elèctrica. El seu procés de fabricació és relativament complex i el cost és relativament elevat, però té un rendiment de generació d’energia estable i una llarga vida útil de fins a 25 - 30 anys. L’eficiència de conversió de les cèl·lules de silici policristal·lines és lleugerament inferior, aproximadament un 15% - 20%, però el seu cost de producció és relativament baix, i té certs avantatges de rendibilitat en aplicacions a gran escala i la seva vida útil també pot arribar a uns 20 - 25 anys.

A més del silici monocristal·lí i les cèl·lules de silici policristal·lines, hi ha altres tipus de panells fotovoltaics com el silici amorf, la tela de cadmi i el selenur de gali de coure. Els panells fotovoltaics de silici amorf tenen els avantatges d’una bona flexibilitat i es poden convertir en pel·lícules primes. Sovint s’utilitzen en algunes escenes amb requisits especials per aparença o espai d’instal·lació, però la seva eficiència de conversió és relativament baixa, generalment un 6% - 12%. Els panells fotovoltaics de selenur de cadmium telluride i coure indi tenen un cert potencial en l'eficiència i el cost de la conversió, i s'han desenvolupat ràpidament en els darrers anys, però la seva quota de mercat encara és inferior a la del silici monocristal·lí i als panells fotovoltaics de silici policristal·lins.

La potència generada pels panells fotovoltaics és de corrent continu, mentre que la majoria dels aparells elèctrics que utilitzem en la nostra vida diària requereixen que funcionin correctament. En aquest moment, l’inversor té un paper clau. És com un "convertidor" màgic responsable de convertir la sortida de corrent continu dels panells fotovoltaics en CA per satisfer les necessitats de potència de diferents usuaris com ara famílies i empreses.

Hi ha molts tipus d’inversors i els comuns són inversors centralitzats, inversors de cadenes i microinternats. Els inversors centralitzats tenen una gran potència i són generalment adequats per a grans centrals solars. Recull la DC generada per diversos grups de panells fotovoltaics i els converteix. L’avantatge és que el cost és relativament baix i és fàcil gestionar i mantenir de forma central, però un cop es produeix una falla, pot afectar el funcionament de tot el sistema de generació d’energia. L’inversor de la cadena converteix DC a CA per separat per a diferents grups de panells fotovoltaics i, a continuació, agrega aquestes CA. Té una major flexibilitat. Tot i que una determinada cadena té problemes, no afectarà el funcionament normal d’altres cadenes. A més, pot reproduir millor els seus avantatges en els escenaris d’instal·lació dels panells fotovoltaics amb blindatge parcial o orientacions diferents. Actualment s’utilitza àmpliament en projectes de generació d’energia fotovoltaica distribuïdes. El micro inversor s’instal·la directament a la part posterior de cada panell fotovoltaic per convertir la sortida de potència de corrent continu de cada panell fotovoltaic per separat. La seva característica més gran és que pot realitzar un seguiment independent i un seguiment màxim de punts de potència de cada panell fotovoltaic. Tot i que un panell fotovoltaic està bloquejat o falla, altres panells fotovoltaics encara poden funcionar normalment, cosa que millora considerablement l’eficiència i l’estabilitat de la generació d’energia de tot el sistema de generació d’energia. No obstant això, atès que cada micro inversor només correspon a un panell fotovoltaic, el seu cost és relativament elevat.

En el procés de conversió d’energia elèctrica, l’inversor també té algunes altres funcions importants. Per exemple, la funció màxim de seguiment de punts de potència (MPPT) pot controlar la potència de sortida del panell fotovoltaic en temps real i ajustar automàticament els paràmetres de treball de manera que el panell fotovoltaic sempre funcioni a prop del punt de potència màxim, millorant així l’eficiència de la generació d’energia. A més, l’inversor també disposa de funcions de protecció de seguretat com ara protecció sobre sobretensió, protecció contra el sobrecàrrega i protecció de fuites per assegurar el funcionament estable del sistema de generació d’energia i la seguretat del personal i dels equips.

Per tal que els panells fotovoltaics puguin rebre millor la llum del sol, cal una estructura de suport estable, que és el sistema entre claudàtors. El sistema de suport és com un "suport sòlid" per als panells fotovoltaics. No només porta el pes dels mateixos panells fotovoltaics, sinó que també es resisteix a diversos factors ambientals naturals, com el vent, la pluja, la neu, etc.

Els sistemes de suport es poden dividir en dos tipus: fix i seguiment. Els claudàtors fixos són senzills d’instal·lar i de baix cost. Fixen panells fotovoltaics a terra, sostre o altres edificis en un cert angle i orientació. L’angle d’instal·lació d’aquest bracket s’optimitza normalment segons les condicions de la latitud i la radiació solar locals per assegurar que els panells fotovoltaics puguin rebre llum solar suficient durant la major part de l’any. Els claudàtors són més intel·ligents. Poden ajustar automàticament l’angle dels panells fotovoltaics segons els canvis en la posició del sol, de manera que els panells fotovoltaics sempre es mantenen perpendiculars o gairebé perpendiculars a la llum del sol, maximitzant així l’eficiència dels panells fotovoltaics que reben la llum del sol. Els claudàtors de seguiment es divideixen generalment en dos tipus: el seguiment d’un sol eix i el seguiment de doble eix. Els claudàtors de seguiment d’un sol eix poden girar al llarg d’un eix (normalment l’eix horitzontal en direcció est-oest o l’eix inclinat en direcció nord-sud), mentre que els claudàtors de seguiment de doble eix poden girar simultàniament en dos eixos, amb una precisió de seguiment més elevada, però costos relativament més alts.

A l’hora d’escollir un sistema entre claudàtors, cal considerar -ne molts factors de forma exhaustiva. Per exemple, la topografia del lloc d’instal·lació, l’àrea disponible, les condicions climàtiques locals i el pressupost. Per a petits projectes de generació d’energia fotovoltaica distribuïda, com ara sistemes fotovoltaics del terrat de la llar, els brackets fixos solen ser seleccionats a causa de l’àrea d’instal·lació limitada i la sensibilitat del cost. A les grans centrals fotovoltaiques del sòl, si les condicions del lloc ho permeten i es busca una major eficiència de generació d’energia, els claudàtors poden ser una millor opció.

En els sistemes de generació d’energia solar, les bateries tenen el paper de “magatzem d’emmagatzematge” de l’energia elèctrica. Quan hi ha llum solar suficient, l’electricitat generada pels panells fotovoltaics pot ser utilitzat immediatament pels usuaris i l’excés d’electricitat es pot emmagatzemar a la bateria. En el cas de la llum solar insuficient a la nit o en els dies ennuvolats, el paquet de bateries allibera l’electricitat emmagatzemada per proporcionar als usuaris una font d’alimentació contínua i estable.

Els tipus habituals de bateries inclouen bateries de plom-àcid, bateries d’hidrur de níquel-metall i bateries d’ions de liti. Les bateries de plom-àcid són una de les bateries d’emmagatzematge d’energia més utilitzades. Tenen els avantatges de baix cost, tecnologia madura i un manteniment fàcil. Tanmateix, la seva densitat energètica és relativament baixa, el seu volum i el seu pes són grans i la seva vida de cicle de càrrega i descàrrega és generalment al voltant de 300-500 vegades. El rendiment de les bateries d’hidrur de níquel-metall és millor que el de les bateries de plom-àcid. Tenen una densitat d’energia més elevada, una vida de càrrega més llarga i una vida del cicle de descàrrega (fins a aproximadament 1, 000 vegades) i són respectuosos amb el medi ambient, però el seu cost també és relativament elevat. Les bateries d’ions de liti tenen avantatges significatius com ara alta densitat d’energia, volum reduït, pes lleuger, alta eficiència de càrrega i descàrrega i una vida de cicle llarg (normalment fins a 1, 500-3, 000 vegades), però el seu cost és relativament elevat. En alguns escenaris d'aplicacions sensibles als costos, la seva promoció està subjecta a determinades restriccions.

A l’hora de dissenyar i configurar paquets de bateries, cal tenir en compte de forma exhaustiva factors com la demanda d’energia real del sistema de generació d’energia solar, la capacitat de generació d’energia dels panells fotovoltaics i les condicions de llum locals. Per exemple, és necessari determinar la capacitat de bateria adequada per assegurar -se que la demanda bàsica d’electricitat dels usuaris es pugui satisfer en el cas de dies ennuvolats contínues. Al mateix temps, també cal parar atenció a la gestió de la càrrega i descàrrega de la bateria, adoptar una estratègia raonable de càrrega i descàrrega, ampliar la vida útil de la bateria i reduir el cost de l’emmagatzematge d’energia.

El controlador és el "Smart Housekeeper" del sistema de generació d'energia solar. És responsable de controlar i controlar tot el sistema de generació d’energia per assegurar el funcionament segur i estable del sistema. El controlador té principalment les següents funcions importants:

El primer és la funció de control de càrrega i descàrrega. Pot supervisar la tensió, el corrent i altres paràmetres del grup de bateries en temps real i controlar automàticament el procés de càrrega del panell fotovoltaic a la bateria segons l’estat de càrrega de la bateria i les condicions de treball del sistema de generació d’energia per evitar que la bateria sigui sobrecarreguda o desbordada. Quan la bateria estigui totalment carregada, el controlador tallarà automàticament el circuit de càrrega per evitar danys a la bateria causada per sobrecàrrega; I quan la potència de la bateria sigui massa baixa, el controlador controlarà per deixar de descarregar per protegir la vida útil de la bateria.

El segon és la funció de control de seguiment del punt de potència màxima. El controlador pot ajustar l’estat de treball del panell fotovoltaic en temps real treballant conjuntament amb l’inversor, de manera que sempre s’apropi a prop del punt de potència màxim, millorant així l’eficiència de generació d’energia del panell fotovoltaic.

A més, el controlador també té funcions de diagnòstic i protecció de falles del sistema. Pot controlar cada component del sistema de generació d’energia en temps real. Un cop detectada una falla, com ara un curtcircuit al panell fotovoltaic, sobreescalfament de l’inversor, fuites de la bateria, etc., el controlador prendrà immediatament mesures de protecció corresponents, com ara tallar el circuit de falles i emetre un senyal d’alarma, per assegurar el funcionament segur del sistema de generació d’alimentació i facilitarà el personal de manteniment per solucionar els problemes i reparar les falles de manera intensa.

Els controladors utilitzats en sistemes de generació d’energia solar de diferents tipus i mides també són diferents. En els petits sistemes de generació d’energia solar, se sol utilitzar un controlador integrat relativament senzill. Integra funcions bàsiques com el control de càrrega i descàrrega i el control màxim de seguiment de punts de potència. És de mida petita i de baix cost i és adequat per a escenaris d'aplicacions petits com ara sistemes fotovoltaics al terrat de la llar. A les grans centrals solars, cal un controlador centralitzat més potent i intel·ligent. Pot controlar i gestionar uniformement molts panells fotovoltaics, inversors, paquets de bateries i altres equips de tota la central per aconseguir un control del sistema més eficient i precís.

Un sistema complet de generació d’energia solar consisteix en diversos components com ara panells fotovoltaics, inversors, sistemes de suport, paquets de bateries i controladors que treballen junts. Cada component té un paper indispensable. Treballen junts per convertir l’energia solar en electricitat que podem utilitzar, contribuint a la realització del desenvolupament d’energia sostenible. Amb l’avançament continu de la tecnologia i la reducció gradual dels costos, les perspectives d’aplicació dels sistemes de generació d’energia solar seran més àmplies i s’espera que ocupin una posició més important en el futur camp energètic.