הפקת חשמל פוטו-וולטאית היא טכנולוגיה הממירה ישירות אנרגיית אור לאנרגיה חשמלית על ידי ניצול האפקט הפוטו-וולטאי של ממשק המוליכים למחצה. המרכיב המרכזי בטכנולוגיה זו הוא התא הסולארי. לאחר חיבור התאים הסולאריים בסדרה, ניתן לארוז ולהגן עליהם ליצירת מודול תאים סולאריים בשטח גדול, ולאחר מכן לשלב אותם עם בקרי כוח ורכיבים אחרים ליצירת התקן לייצור חשמל פוטו-וולטאי.
1 אפקט פוטו-וולטאי
אם אור פוגע בתא סולארי והאור נספג בשכבת הממשק, פוטונים בעלי אנרגיה מספקת יכולים לעורר אלקטרונים מקשרים קוולנטיים בסיליקון מסוג P וסוג N, וכתוצאה מכך נוצרים זוגות של חור אלקטרוני. האלקטרונים והחורים ליד שכבת הממשק יופרדו זה מזה על ידי השפעת השדה החשמלי של מטענים בחלל לפני הרקומבינציה. אלקטרונים נעים לעבר אזור N בעל מטען חיובי וחורים לעבר אזור P בעל מטען שלילי. הפרדת מטען דרך שכבת הממשק תיצור מתח הניתן למדידה כלפי חוץ בין אזורי P ו-N. בשלב זה, ניתן להוסיף אלקטרודות לשני הצדדים של פרוסת הסיליקון ולחבר למד מתח. עבור תאים סולריים של סיליקון גבישי, הערך הטיפוסי של מתח המעגל הפתוח הוא 0.5 עד 0.6V. ככל שיותר זוגות אלקטרונים-חורים שנוצרים על ידי אור על שכבת הממשק, כך זרימת הזרם גדולה יותר. ככל שנספגת יותר אנרגיית אור בשכבת הממשק, שכבת הממשק גדולה יותר, כלומר שטח התא, והזרם הנוצר בתא הסולארי גדול יותר.
2. עקרון
אור השמש מאיר על צומת ה-pn של המוליכים למחצה כדי ליצור זוג חור-אלקטרונים חדש. תחת פעולת השדה החשמלי של צומת pn, החורים זורמים מאזור n לאזור p, והאלקטרונים זורמים מאזור p לאזור n. לאחר הפעלת המעגל, נוצר זרם. כך פועלים תאים סולאריים עם אפקט פוטו-אלקטרי.
ישנן שתי דרכים לייצור חשמל סולארי, האחת היא המרת אור-חום-חשמל, והשנייה היא המרה ישירה של אור-חשמל.
(1) שיטת ההמרה של אור-חום-חשמלי מייצרת חשמל באמצעות האנרגיה התרמית הנוצרת מקרינת השמש. בדרך כלל, קולט השמש ממיר את האנרגיה התרמית הנספגת לאדים של המדיום העובד, ולאחר מכן מניע את טורבינת הקיטור לייצור חשמל. התהליך הקודם הוא תהליך המרת אור לחום; התהליך האחרון הוא תהליך המרת חום לחשמל, שזהה לייצור חשמל תרמי רגיל. החיסרון של ייצור חשמל תרמי סולארי הוא שהיעילות נמוכה מאוד והעלות גבוהה. ההערכה היא שהשקעתה גבוהה לפחות מזו של ייצור חשמל תרמי רגיל. תחנות כוח יקרות פי 5 עד 10.
(2) שיטת המרה ישירה של אור לחשמל שיטה זו משתמשת באפקט הפוטואלקטרי כדי להמיר ישירות אנרגיית קרינת שמש לאנרגיה חשמלית. המכשיר הבסיסי להמרת אור לחשמל הוא תאים סולאריים. תא סולארי הוא מכשיר הממיר ישירות אנרגיית אור השמש לאנרגיה חשמלית בשל האפקט הפוטו-וולטאי. זוהי פוטודיודה מוליכים למחצה. כאשר השמש זורחת על הפוטודיודה, הפוטודיודה תמיר את אנרגיית האור של השמש לאנרגיה חשמלית ותייצר חשמל. נוֹכְחִי. כאשר תאים רבים מחוברים בסדרה או במקביל, זה יכול להפוך למערך תאים סולאריים עם הספק מוצא גדול יחסית. תאים סולאריים הם סוג חדש ומבטיח של מקור כוח עם שלושה יתרונות מרכזיים: קביעות, ניקיון וגמישות. לתאים סולאריים חיי שירות ארוכים. כל עוד השמש קיימת, ניתן להשתמש בתאים סולאריים לאורך זמן בהשקעה אחת; וכוח תרמי, ייצור חשמל גרעיני. לעומת זאת, תאים סולאריים אינם גורמים לזיהום סביבתי.
3. הרכב המערכת
מערכת ייצור החשמל הפוטו-וולטאית מורכבת ממערכי תאים סולאריים, ערכות סוללות, בקרי טעינה ופריקה, ממירים, ארונות חלוקת חשמל AC, מערכות בקרת מעקב אחר השמש וציוד אחר. חלק מפונקציות הציוד שלו הן:
מערך סוללות
כאשר יש אור (בין אם זה אור שמש או אור שנוצר על ידי תאורה אחרים), הסוללה סופגת אנרגיית אור, והצטברות של מטענים מנוגדים מתרחשת בשני קצוות הסוללה, כלומר, נוצר "מתח פוטו-נוצר", שהוא "האפקט הפוטו-וולטאי". תחת פעולת האפקט הפוטו-וולטאי, שני קצוות התא הסולארי מייצרים כוח אלקטרו-מוטורי, הממיר אנרגיית אור לאנרגיה חשמלית, שהיא מכשיר להמרת אנרגיה. תאים סולאריים הם בדרך כלל תאי סיליקון, המתחלקים לשלושה סוגים: תאים סולריים סיליקון חד-גבישיים, תאים סולאריים סיליקון רב-גבישיים ותאים סולאריים סיליקון אמורפי.
חבילת סוללות
תפקידו לאגור את האנרגיה החשמלית הנפלטת ממערך התאים הסולאריים כשהוא מואר ולספק כוח לעומס בכל עת. הדרישות הבסיסיות לחבילת הסוללות המשמשת בייצור חשמל בתאים סולאריים הן: א. קצב פריקה עצמית נמוך; ב. חיי שירות ארוכים; ג. יכולת פריקה עמוקה חזקה; ד. יעילות טעינה גבוהה; ה. פחות תחזוקה או ללא תחזוקה; ו. טמפרטורת עבודה טווח רחב; ז. מחיר נמוך.
בקר
זהו מכשיר שיכול למנוע אוטומטית מהסוללה טעינת יתר ופריקת יתר. מכיוון שמספר מחזורי הטעינה והפריקה ועומק הפריקה של הסוללה הם גורמים חשובים בקביעת חיי השירות של הסוללה, בקר טעינה ופריקה שיכול לשלוט על טעינת יתר או פריקת יתר של ערכת הסוללות הוא מכשיר חיוני.
ממיר מתח
מכשיר הממיר זרם ישר לזרם חילופין. מכיוון שתאים סולאריים וסוללות הם מקורות מתח DC,
כאשר העומס הוא עומס AC, מהפך חיוני. על פי מצב הפעולה, ניתן לחלק ממירים לממירי פעולה עצמאיים ולממירים המחוברים לרשת. ממירים עצמאיים משמשים במערכות חשמל עצמאיות של תאים סולאריים כדי להפעיל עומסים עצמאיים. ממירים המחוברים לרשת משמשים למערכות לייצור חשמל של תאים סולאריים המחוברים לרשת. ניתן לחלק את המהפך למהפך גל ריבועי ומהפך גלי סינוס לפי צורת הגל הפלט. למהפך הגל הריבועי יש מעגל פשוט ובעלות נמוכה, אך יש לו מרכיב הרמוני גדול. הוא משמש בדרך כלל במערכות מתחת לכמה מאות וואט ועם דרישות הרמוניות נמוכות. ממירי גלי סינוס הם יקרים, אך ניתן ליישם אותם על עומסים שונים.
4. סיווג מערכת
מערכת ייצור החשמל הפוטו-וולטאית מחולקת למערכת ייצור חשמל פוטו-וולטאית עצמאית, מערכת ייצור חשמל פוטו-וולטאית המחוברת לרשת ומערכת הפקת חשמל פוטו-וולטאית מבוזרת.
1. ייצור חשמל פוטו-וולטאי עצמאי נקרא גם ייצור חשמל פוטו-וולטאי מחוץ לרשת. הוא מורכב בעיקר מרכיבי תאים סולאריים, בקרים וסוללות. כדי לספק חשמל לעומס AC, יש להגדיר מהפך AC. תחנות כוח פוטו-וולטאיות עצמאיות כוללות מערכות אספקת חשמל לכפר באזורים מרוחקים, מערכות אספקת חשמל ביתיות סולאריות, אספקת חשמל של אותות תקשורת, הגנה קתודית, תאורת רחוב סולארית ומערכות אחרות לייצור חשמל פוטו-וולטאיות עם סוללות שיכולות לפעול באופן עצמאי.
2. ייצור חשמל פוטו-וולטאי מחובר לרשת פירושו שהזרם הישר שנוצר על ידי מודולים סולאריים מומר לזרם חילופין העונה על דרישות רשת החשמל דרך המהפך המחובר לרשת ולאחר מכן מחובר ישירות לרשת הציבורית.
ניתן לחלק אותו למערכות ייצור חשמל המחוברות לרשת עם ובלי סוללות. מערכת ייצור החשמל המחוברת לרשת עם סוללה ניתנת לתזמון וניתנת לשילוב או לשליפה מרשת החשמל בהתאם לצרכים. יש לו גם את הפונקציה של ספק כוח גיבוי, שיכול לספק אספקת חשמל חירום כאשר רשת החשמל מנותקת מסיבה כלשהי. מערכות ייצור חשמל המחוברות לרשת פוטו-וולטאית עם סוללות מותקנות לרוב בבנייני מגורים; למערכות ייצור חשמל המחוברות לרשת ללא סוללות אין פונקציות של שיגור וכוח גיבוי, והן מותקנות בדרך כלל במערכות גדולות יותר. ייצור חשמל פוטו-וולטאי המחובר לרשת ריכז תחנות כוח פוטו-וולטאיות בקנה מידה גדול המחוברות לרשת, שהן בדרך כלל תחנות כוח ברמה ארצית. עם זאת, תחנת כוח מסוג זה לא התפתחה הרבה בשל ההשקעה הגדולה שלה, תקופת הבנייה הארוכה והשטח הגדול שלה. אנרגיה פוטו-וולטאית מבוזרת בקנה מידה קטן המחובר לרשת, במיוחד ייצור חשמל פוטו-וולטאי המשולב בבניין פוטו, הם הזרם המרכזי של ייצור חשמל פוטו-וולטאי המחובר לרשת, בשל היתרונות של השקעה קטנה, בנייה מהירה, טביעת רגל קטנה ותמיכה חזקה במדיניות.
3. מערכת ייצור חשמל פוטו-וולטאית מבוזרת, הידועה גם בשם ייצור חשמל מבוזר או אספקת אנרגיה מבוזרת, מתייחסת לתצורה של מערכת אספקת חשמל פוטו-וולטאית קטנה יותר באתר המשתמש או בסמוך לאתר החשמל כדי לענות על הצרכים של משתמשים ספציפיים ולתמוך בקיים פעילות כלכלית של רשת הפצה, או לעמוד בדרישות של שני ההיבטים בו זמנית.
4. הציוד הבסיסי של מערכת ייצור החשמל הפוטו-וולטאית המבוזר כולל רכיבי תאים פוטו-וולטאיים, סוגריים של מערך מרובע פוטו-וולטאי, קופסאות קומבינרי DC, ארונות חלוקת חשמל DC, ממירים המחוברים לרשת, ארונות חלוקת חשמל AC וציוד אחר, כמו גם מערכת אספקת חשמל מכשירי ניטור ומכשיר ניטור סביבתי. מצב הפעולה שלו הוא שבתנאי של קרינת שמש, מערך המודולים הסולאריים של מערכת ייצור החשמל הפוטו-וולטאיים ממיר את האנרגיה החשמלית הפלט מאנרגיה סולארית, ושולח אותה לארון חלוקת החשמל DC דרך תיבת המשלב DC, והרשת -מהפך מחובר ממיר אותו לספק כוח AC. הבניין עצמו עמוס, וחשמל עודף או לא מספיק מוסדר על ידי חיבור לרשת.
5. יתרונות וחסרונות
בהשוואה למערכות ייצור החשמל הנפוצות, היתרונות של ייצור חשמל פוטו-וולטאי סולארי באים לידי ביטוי בעיקר ב:
אנרגיה סולארית נקראת האנרגיה החדשה האידיאלית ביותר. ①אין סכנת דלדול; ②בטוח ואמין, ללא רעש, ללא פריקת זיהום, נקי לחלוטין (ללא זיהום); ③ זה אינו מוגבל על ידי חלוקה גיאוגרפית של משאבים, וניתן להשתמש ביתרונות של בניית גגות; ④אין צורך לצרוך דלק ולהקים קווי תמסורת ייצור חשמל ואספקת חשמל מקומיים; ⑤ איכות אנרגיה גבוהה; ⑥ קל לקבל את המשתמשים מבחינה רגשית; ⑦תקופת הבנייה קצרה, והזמן שלוקח להשגת אנרגיה קצר.
חִסָרוֹן:
①צפיפות חלוקת האנרגיה של הקרינה קטנה, כלומר היא תופסת שטח עצום; ②האנרגיה המתקבלת קשורה לארבע עונות השנה, יום ולילה, מעונן ושטוף שמש ותנאים מטאורולוגיים אחרים. לשימוש באנרגיה סולארית להפקת חשמל יש עלויות ציוד גבוהות, אך קצב הניצול של אנרגיית השמש נמוך, ולכן לא ניתן להשתמש בה באופן נרחב. הוא משמש בעיקר בסביבות מיוחדות, כגון לוויינים.
6. אזורי יישום
1. ספק כוח סולארי למשתמש: (1) ספק כוח קטן החל מ-10-100W, בשימוש באזורים מרוחקים ללא חשמל כגון רמות, איים, אזורים פסטורליים, עמדות גבול וחשמל אחר לחיים צבאיים ואזרחיים, כגון תאורה , טלוויזיה, רשמקולים וכו'; (2) 3 -5מערכת ייצור חשמל ביתית על הגג המחוברת לרשת; (3) משאבת מים פוטו-וולטאית: פותרת את בעיית השתייה וההשקיה של בארות עמוקות באזורים ללא חשמל.
2. שדות תנועה כגון פנסי ניווט, פנסי איתות תנועה/רכבת, פנסי אזהרת תנועה/אותות, פנסי רחוב Yuxiang, פנסי חסימה בגובה רב, תאי טלפון אלחוטיים בכביש מהיר/רכבת, אספקת חשמל למעבר כביש ללא השגחה וכו'.
3. תחום תקשורת/תקשורת: תחנת ממסר מיקרוגל סולרית ללא השגחה, תחנת תחזוקה של כבל אופטי, מערכת אספקת חשמל לשידור/תקשורת/החלפה; מערכת פוטו-וולטאית לטלפון מוביל כפרי, מכונת תקשורת קטנה, ספק כוח GPS לחיילים וכו'.
4. שדות נפט, ימיים ומטאורולוגיים: מערכת אנרגיה סולארית קתודית לצינורות נפט ושערי מאגרים, אספקת חשמל חיים וחרום לפלטפורמות קידוח נפט, ציוד גילוי ימי, ציוד תצפית מטאורולוגי/הידרולוגי וכו'.
5. ספק כוח למנורות ביתיות: כגון מנורות גינה, פנסי רחוב, מנורות ניידות, מנורות קמפינג, מנורות טיפוס הרים, מנורות דיג, מנורות אור שחור, מנורות הקשה, מנורות חסכוניות וכו'.
6. תחנת כוח פוטו-וולטאית: 10KW-50תחנת כוח פוטו-וולטאית עצמאית, תחנת כוח משלימה רוח-סולרית (דיזל), תחנות טעינה שונות של מפעלי חניה גדולים וכו'.
7. מבנים סולאריים משלבים ייצור אנרגיה סולארית עם חומרי בניין כדי לאפשר למבנים גדולים בעתיד להגיע להסתפקות עצמית בחשמל, המהווה כיוון פיתוח מרכזי בעתיד.
8. תחומים נוספים כוללים: (1) התאמה לרכב: רכבים סולאריים/רכבים חשמליים, ציוד טעינת סוללות, מזגנים לרכב, מאווררי אוורור, קופסאות שתייה קרה וכו'; (2) מערכות ייצור חשמל רגנרטיביות לייצור מימן סולארי ותאי דלק; (3) אספקת חשמל של ציוד התפלה של מי ים; (4) לוויינים, חלליות, תחנות כוח סולאריות בחלל וכו'.