1. הרכב ועיקרון של מערכת פוטו-וולטאית סולארית
מערכת פוטו-וולטאית סולארית מורכבת משלושת החלקים הבאים: רכיבי תאים סולאריים; בקרי טעינה ופריקה, ממירים, מכשירי בדיקה וניטור מחשב וציוד אלקטרוני חשמלי אחר; וסוללות או ציוד אחר לאחסון אנרגיה וציוד עזר לייצור חשמל.
למערכות פוטו-וולטאיות סולאריות יש את המאפיינים הבאים:
- ללא חלקים מסתובבים, ללא רעש;
- ללא זיהום אוויר וללא הזרמת מי שפכים;
- ללא תהליך בעירה, ללא צורך בדלק;
- תחזוקה פשוטה ועלויות תחזוקה נמוכות;
- אמינות ויציבות תפעולית טובה;
- כמרכיב מפתח, לתאים סולאריים חיי שירות ארוכים, ואורך החיים של תאים סולאריים מסיליקון גבישי יכולים להגיע ליותר מ-25 שנים;
ניתן להגדיל את ייצור החשמל בקלות לפי הצורך.
מערכות פוטו-וולטאיות נמצאות בשימוש נרחב. ניתן לחלק את הצורות הבסיסיות של יישומי מערכות פוטו-וולטאיות לשתי קטגוריות: מערכות ייצור חשמל עצמאיות ומערכות ייצור חשמל המחוברות לרשת. תחומי היישום העיקריים הם בעיקר במטוסי חלל, מערכות תקשורת, תחנות ממסר מיקרוגל, פטיפונים דיפרנציאליים לטלוויזיה, משאבות מים פוטו-וולטאיות ואספקת חשמל ביתית באזורים ללא חשמל. עם התפתחות הטכנולוגיה והצרכים של פיתוח בר-קיימא של הכלכלה העולמית, מדינות מפותחות החלו לקדם ייצור חשמל עירוני המחובר לרשתות פוטו-וולטאיות בצורה מתוכננת, בעיקר בבניית מערכות לייצור חשמל פוטו-וולטאיות על הגג הביתי וריכוזיות ברמת MW בקנה מידה גדול. מערכות ייצור חשמל מחוברות לרשת. במקביל, ביישום של מערכות פוטו-וולטאיות סולאריות מקודם במרץ בתחבורה ובתאורה עירונית.
למערכות פוטו-וולטאיות יש סולמות וצורות יישום שונים. לדוגמה, קנה המידה של המערכת משתרע על טווח רחב, החל מ-0.3 עד 2W אורות גינה סולארית לתחנות כוח פוטו-וולטאיות סולאריות ברמת MW, כגון ציוד לייצור חשמל ביתי על הגג של 3.75kWp ופרויקט Dunhuang 10MW. גם טפסי הבקשה שלה מגוונים וניתן לעשות בהם שימוש נרחב בתחומים רבים כגון יישומי משק בית, תחבורה, תקשורת וחלל. למרות שמערכות פוטו-וולטאיות שונות בגודלן, ההרכב ועקרונות העבודה שלהן זהים בעצם. איור 4-1 הוא תרשים סכמטי של מערכת פוטו-וולטאית טיפוסית המספקת עומסי DC. הוא מכיל מספר מרכיבים עיקריים במערכת הפוטו-וולטאית:
מערך מודולים פוטו-וולטאיים: הוא מורכב מאלמנטים של תאים סולאריים (נקראים גם מודולים של תאים פוטו-וולטאיים) המחוברים בסדרה ובמקביל בהתאם לדרישות המערכת. הוא ממיר אנרגיה סולארית לתפוקת אנרגיה חשמלית תחת אור השמש. זהו מרכיב הליבה של המערכת הפוטו-וולטאית הסולארית.
סוללה: מאחסנת את האנרגיה החשמלית שנוצרת על ידי רכיבי תאים סולאריים. כאשר האור אינו מספיק או בלילה, או דרישת העומס גדולה מהכוח שנוצר על ידי רכיבי התא הסולארי, האנרגיה החשמלית האצורה משתחררת כדי לעמוד בדרישת האנרגיה של העומס. זוהי סוללת האחסון של המערכת הפוטו-וולטאית הסולארית. חלקים פונקציונליים. כיום, סוללות עופרת חומצה נמצאות בשימוש נפוץ במערכות פוטו-וולטאיות סולאריות. עבור מערכות בעלות דרישות גבוהות יותר, משתמשים בדרך כלל בסוללות עופרת-חומצה אטומות מווסתות פריקה עמוקה, סוללות עופרת-חומצה סופגות נוזלים, וכו'.
בקר: הוא קובע ושולט בתנאי הטעינה והפריקה של הסוללה, ושולט על תפוקת ההספק של רכיבי התא הסולארי והסוללה לעומס בהתאם לדרישת ההספק של העומס. זהו חלק השליטה הליבה של המערכת כולה. עם התפתחות התעשייה הפוטו-וולטאית הסולרית, הפונקציות של הבקרים הופכות חזקות יותר ויותר, וישנה מגמה לשלב את חלק הבקרה המסורתי, המהפך ומערכת הניטור. לדוגמה, בקרי סדרת SPP ו-SMD של AES משלבים את שלושת הפונקציות הנ"ל.
מהפך: במערכת אספקת החשמל הפוטו-וולטאית הסולארית, אם יש עומס AC, יש להשתמש במכשיר מהפך כדי להמיר את הספק ה-DC שנוצר על ידי רכיבי התא הסולארי או את הספק ה-DC שמשחררת הסוללה להספק AC הנדרש על ידי לִטעוֹן.
עקרון העבודה הבסיסי של מערכת אספקת החשמל הפוטו-וולטאית הסולארית הוא לטעון את הסוללה באנרגיה החשמלית שנוצרת על ידי רכיבי התא הסולארי תחת קרינת השמש, או לספק ישירות כוח לעומס כאשר דרישת העומס מתמלאת. אם השמש אינה מספקת או בלילה הסוללה מספקת חשמל לעומס ה-DC בשליטה של הבקר. עבור מערכות פוטו-וולטאיות המכילות עומסי AC, יש להוסיף מהפך כדי להמיר את הספק DC למתח AC. יישומי מערכת פוטו-וולטאיים מגיעים בצורות רבות, אך העקרונות הבסיסיים נשארים זהים. עבור סוגים אחרים של מערכות פוטו-וולטאיות, רק מנגנון הבקרה ורכיבי המערכת שונים בהתאם לצרכים בפועל. סוגים שונים של מערכות פוטו-וולטאיות יתוארו בפירוט להלן.