Fotogalvaanilised päikesesüsteemid (PV) on maailma energiaülemineku üks olulisi elemente, mis võimaldavad päikesevalgust otse elektrienergiaks muuta erilise ja kiiresti kasvava efektiivsusega. Kõigi jaoks, kes tegelevad tegevustega alates paigaldamisest kuni investeeringute või taastuvenergia poliitika kujundamiseni, on üliolulised teadmised nende süsteemide toimimisest erinevatel tasanditel, sealhulgas aatomi{1}}tasandi teadmised pooljuhtmaterjalide ja võrku{2}}ühendatud inverterite kohta.
Fotogalvaaniline efekt: põhiprintsiip
Fotogalvaaniline efekt, mis on päikesepaneeli põhikontseptsioon, on segadusttekitav füüsikaline nähtus, mille autoriks on prantsuse teadlane Edmond Becquerel 1839. aastal. Nähtus hõlmab footonite, päikesevalguse osakeste panust, mis annavad oma energia pooljuhtmaterjalidele ja põhjustavad elektronides ergastuse.
Päikesepaneelid on tavaliselt valmistatud kindlast pooljuhtmaterjalist, mida nimetatakse kristalliliseks räniks. Päikesepaneelidele sobiva räni valmistamise protsess hõlmab mitut etappi, sealhulgas selle "dopingut" lisanditega, et luua kaks erinevat kihti. Ühte kihti nimetatakse n--tüüpi kihiks ja sellel on lisaelektrone, samas kui teine kiht on p--tüüpi kiht, mis tekitab elektronide puudujääke (auke). Kahe kihi kokkupuutepunkti nimetatakse p-n-siirdepunktiks ja sellel on sisemised elektriväljad, mis on tingitud elektronide liikumisest energiast ja sellele järgnevast laengutest, kus n--tüüpi kihis on rohkem elektrone ja p--tüüpi kihis on auke. Seetõttu tekib päikesepaneelide valgustamisel pingeerinevus ja selle tulemusena märkimisväärne kogus alalisvoolu elektripinget.
Kuigi üks päikesepaneel toodab vähe energiat (vahemikus 0,5–0,6 volti ja ainult mitu vatti), on seetõttu vaja suurema elektritootmise jaoks mitu paneeli omavahel ühendada.
Alalisvoolust vahelduvvooluni: inverteri ülioluline roll
Päikesepaneelid toodavad alalisvoolu elektrit, kuid enamik kodumasinaid ja elektrivõrk kasutab vahelduvvoolu. Alalisvoolu vahelduvvooluks muundamiseks on vaja inverterit. Inverterit tuntakse päikesesüsteemi "ajuna", kuna see teostab muundamise.
Tänapäeva maailmas teevad inverterid enamat kui lihtsalt teisendusi. Inverterid kasutavad uusimat maksimaalse võimsuspunkti jälgimise (MPPT) tehnoloogiat, mis on loodud aitama pidevalt reguleerida elektrikoormust. See tagab suurima võimaliku elektrienergia koguse olenemata ilmastikutingimustest.
Inverterid pakuvad olulisi jälgimis- ja ohutusfunktsioone. Nad suudavad tuvastada elektrikatkestusi ja end välja lülitada (anti-saartekaitse), mis takistab elektri tagasi saatmist elektriliinidesse, tagades nii töötajate ohutuse. Paljud uued inverterid on sisseehitatud-seiretööriistadega, mis aitavad kasutajatel mobiilirakenduste või võrgusüsteemide kaudu reaalajas mõõta süsteemi olekut, leida rikkeid ja hallata elektritarbimist{4}}.
Süsteemi ja muude komponentide tasakaal
Täielik päikeseenergiasüsteem sisaldab lisaks inverteritele ja paneelidele ka erinevaid tasakaalu{0}}süsteemi (BOS) komponente. Sellised komponendid hõlmavad kinnitussüsteeme (katuseraamid, maapealsed tugiraamid või päikesepaiste jälgimise süsteemid), elektrijuhtmeid ja -torusid, ühenduskarpe, lahklüliteid, ülekoormuse eest kaitsvaid seadmeid ning teatud olukordades ka seire- ja sideseadmeid.
Katusepäikesesüsteemide puhul on oluline tagada õige paigaldus, et konstruktsioon püsiks stabiilne ja ei tekiks lekkeid ning paneelid jääksid optimaalsesse asendisse ja kalduks. Maakera põhjaosas on päikesepaneelid paigutatud lõuna poole kaldenurgaga, mis on lähedane laiuskraadile, et tagada maksimaalne elektritootmine. Ühe- ja kahe{2}}teljega jälgijaid võib kasutada maapealsetes-süsteemides, mis aitavad suurendada energiatootmist 15–25%, arvestades, et fotogalvaanilised süsteemid saavad päikesekiiri kogu päeva jooksul. Kuid selliste süsteemide kasutamisel on ka oma varjuküljed.
Jõudlus, halvenemine ja tõhusus
Üldiselt hinnatakse päikesesüsteemi jõudlust selle võimsusteguri kaudu, mis on arv, mis kajastab teatud aja jooksul toodetud energia hulka, mitte maksimaalset energiat, mida on võimalik toota, kui päikesesüsteem töötaks täisvõimsusel 100% ajast. Fikseeritud-kaldega PV-süsteemide võimsustegur on 10% - 20% sõltuvalt sellistest teguritest nagu asukoht; jälgimissüsteemide võimsustegur on siiski pisut kõrgem kui fikseeritud-kallutatud PV-süsteemide oma, jäädes vahemikku 20% kuni 30%.
Kõik päikesepaneelid kaotavad aja jooksul järk-järgult oma tõhususe ja nende efektiivsus väheneb 0,5% - 1% aastas. Peaaegu kõik tootjad annavad oma päikesepaneelidele garantii perioodiks 25-30 aastat, tagades sellega, et päikesepaneeli kasutegur ei lange pärast selle perioodi möödumist alla 80% kuni 85% esialgsest nimitõhususest.
Süsteemi tõhusus sõltub ka temperatuurist: päikesepatareid on kõrgematel temperatuuridel vähem tõhusad -seda nähtust nimetatakse temperatuurikoefitsiendiks. Tüüpilised kristalsed ränielemendid kaotavad üle 25 kraadi Celsiuse kraadi kohta umbes 0,3–0,5 protsenti oma toodangust. Õige ventilatsioon ja paigaldus, mis võimaldab õhuvoolu paneelide taga, võib aidata seda mõju leevendada.
Teekond päikesevalgusest pistikupesani
Mis puudutab tüüpilist võrguga seotud kodumajapidamiste päikeseelektrisüsteemi, siis see toimib järgmiselt: Esiteks, päikesevalgus tabab paneele, mis loovad alalisvoolu elektrit. Vool jõuab inverterini, mis muudab selle vahelduvvoolu elektriks. Inverter jälgib pidevalt elektrivõrgu parameetreid, võimaldades tal saavutada ühtlast sagedust ja pinget. Pärast seda suunatakse elekter maja peapaneelile, mis edastab selle erinevatele seadmetele. Märkimist väärib see, et elektritootmise tipptundidel (kui toimub kõige suurem päikeseenergia tootmine) eksporditakse elekter tagasi võrku tänu korralikult töötavale arvestile, mis võib netoarvestuse mõttes teistpidi pöörlema hakata. Öösel toimub protsess vastupidiselt nii, et maja hakkab tavapärases mõttes võrgust energiat tarbima, mis ei too kaasa muud kui regulaarset arvesti ettepoole pöörlemist.
Nutikaid süsteeme saab kasutada koos nutikate energiahalduslahendustega majas, kuna need võimaldavad energiamahukate seadmete (nt nõudepesumasinad ja elektrisõidukite laadimisseadmed) nihutamist suurima päikeseenergia tootmise hetkedele.
Järeldus
Päikeseenergiasüsteem on pooljuhtide füüsika, jõuelektroonika, konstruktsioonitehnika ja tarkvara intelligentsuse keerukas integratsioon. Alates elektronide kvant-tasemel liikumisest ränis kuni sujuva sünkroniseerimiseni kommunaalvõrguga – kõik komponendid töötavad harmoonias, et muuta külluslik, vaba ja puhas ressursis-päikesevalgus-usaldusväärseks, nõudmisel elektrienergiaks, mis toetab tänapäeva elu. Kuna tööstus jätkab uuendusi suurema-tõhususega elementide, nutikamate inverterite ja soodsamate salvestuslahendustega, jäävad põhilised tööpõhimõtted fotogalvaanilisele efektile, mis on sajandivanune avastus, mis nüüd globaalset energiamaastikku ümber kujundab. Nende põhimõtete mõistmine ei ole pelgalt akadeemiline ülesanne; see on vundament, millele rajatakse säästev energia tulevik.
