سیستم فتوولتائیک

سیستم‌های فتوولتائیک عموماً به سیستم‌های مستقل، سیستم‌های متصل به شبکه و سیستم‌های هیبریدی تقسیم می‌شوند. با توجه به فرم درخواست، مقیاس کاربرد و نوع بار سیستم فتوولتائیک خورشیدی، می‌توان آن را به شش نوع تقسیم کرد.

معرفی سیستم

با توجه به فرم درخواست، مقیاس کاربرد و نوع بار سیستم فتوولتائیک خورشیدی، سیستم تامین برق فتوولتائیک باید با جزئیات بیشتری تقسیم‌بندی شود. سیستم‌های فتوولتائیک را می‌توان به شش نوع زیر نیز تقسیم کرد: سیستم تامین برق خورشیدی کوچک (Small DC)؛ سیستم DC ساده (Simple DC)؛ سیستم تامین برق خورشیدی بزرگ (Large DC)؛ سیستم تامین برق AC و DC (AC/DC)؛ سیستم متصل به شبکه (Utility Grid Connect)؛ سیستم تامین برق هیبریدی (Hybrid)؛ سیستم هیبریدی متصل به شبکه. اصول کار و ویژگی‌های هر سیستم در زیر شرح داده شده است.

سیستم منبع تغذیه

ویژگی‌های سیستم تامین انرژی خورشیدی کوچک این است که فقط یک بار DC در سیستم وجود دارد و توان بار نسبتاً کم است، کل سیستم ساختار ساده‌ای دارد و کار با آن آسان است. کاربردهای اصلی آن سیستم‌های خانگی عمومی، محصولات مختلف DC غیرنظامی و تجهیزات سرگرمی مرتبط است. به عنوان مثال، در منطقه غربی کشور من، این نوع سیستم فتوولتائیک به طور گسترده مورد استفاده قرار گرفته است و بار آن لامپ DC است که برای حل مشکل روشنایی خانگی در مناطق بدون برق استفاده می‌شود.

سیستم جریان مستقیم

ویژگی این سیستم این است که بار موجود در سیستم، بار DC است و هیچ الزام خاصی برای زمان استفاده از بار وجود ندارد. بار عمدتاً در طول روز استفاده می‌شود، بنابراین هیچ باتری در سیستم استفاده نمی‌شود و هیچ کنترل‌کننده‌ای مورد نیاز نیست. این سیستم ساختار ساده‌ای دارد و می‌تواند مستقیماً مورد استفاده قرار گیرد. ماژول فتوولتائیک، برق بار را تأمین می‌کند، فرآیند ذخیره و آزادسازی انرژی در باتری و همچنین اتلاف انرژی در کنترل‌کننده را از بین می‌برد و راندمان استفاده از انرژی را بهبود می‌بخشد. این سیستم معمولاً در سیستم‌های پمپ آب PV، برخی از تجهیزات موقت در طول روز و برخی از امکانات گردشگری استفاده می‌شود. شکل 1 یک سیستم پمپ PV DC ساده را نشان می‌دهد. این سیستم به طور گسترده در کشورهای در حال توسعه که آب لوله‌کشی خالص برای آشامیدن وجود ندارد، مورد استفاده قرار گرفته و مزایای اجتماعی خوبی را به همراه داشته است.

سیستم انرژی خورشیدی در مقیاس بزرگ

در مقایسه با دو سیستم فتوولتائیک فوق، سیستم فتوولتائیک خورشیدی در مقیاس بزرگ هنوز برای سیستم برق DC مناسب است، اما این نوع سیستم فتوولتائیک خورشیدی معمولاً توان بار زیادی دارد. برای اطمینان از تأمین برق پایدار برای بار، مقیاس سیستم نیز بزرگ است و باید به آرایه بزرگتری از ماژول‌های فتوولتائیک و یک باتری بزرگتر مجهز شود. اشکال رایج کاربرد آن شامل ارتباطات، تله‌متری، منبع تغذیه تجهیزات نظارتی، منبع تغذیه متمرکز در مناطق روستایی، فانوس دریایی، چراغ‌های خیابانی و غیره است. این شکل در برخی از نیروگاه‌های فتوولتائیک روستایی که در برخی مناطق بدون برق در غرب کشور من ساخته شده‌اند، استفاده می‌شود و ایستگاه‌های پایه ارتباطی ساخته شده توسط China Mobile و China Unicom در مناطق دورافتاده بدون شبکه برق نیز از این سیستم فتوولتائیک برای تأمین برق استفاده می‌کنند. مانند پروژه ایستگاه پایه ارتباطی در Wanjiazhai، Shanxi.

سیستم تغذیه AC و DC

برخلاف سه سیستم فتوولتائیک خورشیدی فوق، این سیستم فتوولتائیک می‌تواند همزمان برای بارهای DC و AC برق تأمین کند و از نظر ساختار سیستم، اینورترهای بیشتری نسبت به سه سیستم فوق دارد که برای تبدیل برق DC به برق AC برای تأمین نیازهای بار AC استفاده می‌شود. معمولاً مصرف برق بار چنین سیستمی نیز نسبتاً بزرگ است، بنابراین مقیاس سیستم نیز نسبتاً بزرگ است. در برخی از ایستگاه‌های پایه ارتباطی با بارهای AC و DC و سایر نیروگاه‌های فتوولتائیک با بارهای AC و DC استفاده می‌شود.

سیستم متصل به شبکه

بزرگترین ویژگی این سیستم فتوولتائیک خورشیدی این است که جریان مستقیم تولید شده توسط آرایه فتوولتائیک از طریق اینورتر متصل به شبکه به جریان متناوب تبدیل می‌شود که نیازهای شبکه برق را برآورده می‌کند و سپس مستقیماً به شبکه برق متصل می‌شود. در خارج از بار، توان اضافی به شبکه بازگردانده می‌شود. در روزهای بارانی یا شب، زمانی که آرایه فتوولتائیک برق تولید نمی‌کند یا برق تولید شده نمی‌تواند تقاضای بار را برآورده کند، توسط شبکه تغذیه می‌شود. از آنجا که انرژی الکتریکی مستقیماً وارد شبکه برق می‌شود، پیکربندی باتری حذف می‌شود و فرآیند ذخیره و آزادسازی باتری ذخیره می‌شود. با این حال، یک اینورتر متصل به شبکه اختصاصی در سیستم مورد نیاز است تا اطمینان حاصل شود که توان خروجی الزامات توان شبکه را برای ولتاژ، فرکانس و سایر شاخص‌ها برآورده می‌کند. به دلیل مشکل راندمان اینورتر، هنوز مقداری اتلاف انرژی وجود خواهد داشت. چنین سیستم‌هایی اغلب قادر به استفاده از برق شهری و آرایه‌ای از ماژول‌های PV خورشیدی به صورت موازی به عنوان منبع تغذیه برای بارهای AC محلی هستند. میزان کمبود توان بار در کل سیستم کاهش می‌یابد. علاوه بر این، سیستم فتوولتائیک متصل به شبکه می‌تواند در تنظیم پیک مصرف برق شبکه برق عمومی نقش داشته باشد. با توجه به ویژگی‌های سیستم متصل به شبکه، شرکت Soying Electric چند سال پیش با موفقیت یک اینورتر متصل به شبکه خورشیدی را توسعه داد که به طور خاص برای بازیافت انرژی الکتریکی با سود و زیان‌های مختلف طراحی شده است. پیشرفت‌های بزرگی حاصل شده است و مجموعه‌ای از مشکلات فنی در سیستم متصل به شبکه برطرف شده است.

سیستم تأمین مختلط

علاوه بر آرایه ماژول فتوولتائیک خورشیدی مورد استفاده در این سیستم فتوولتائیک خورشیدی، از یک ژنراتور روغنی نیز به عنوان منبع تغذیه پشتیبان استفاده می‌شود. هدف از استفاده از سیستم تامین برق هیبریدی، استفاده جامع از مزایای فناوری‌های مختلف تولید برق و جلوگیری از کاستی‌های مربوط به آنهاست. به عنوان مثال، مزایای سیستم‌های فتوولتائیک مستقل فوق‌الذکر، نیاز به نگهداری کمتر و عیب آن، وابستگی انرژی خروجی به آب و هوا و ناپایداری آن است.

یک سیستم تامین برق هیبریدی که از ترکیبی از ژنراتورهای دیزلی و آرایه‌های فتوولتائیک استفاده می‌کند، می‌تواند در مقایسه با یک سیستم مستقل تک انرژی، انرژی مستقل از آب و هوا را فراهم کند.

سیستم تغذیه ترکیبی متصل به شبکه

با توسعه صنعت الکترونیک نوری خورشیدی، یک سیستم منبع تغذیه هیبریدی متصل به شبکه که می‌تواند به طور جامع از آرایه‌های ماژول فتوولتائیک خورشیدی، برق شهری و ژنراتورهای پشتیبان روغنی استفاده کند، پدیدار شده است. این نوع سیستم معمولاً کنترلر و اینورتر را با استفاده از یک تراشه کامپیوتری برای کنترل کامل عملکرد کل سیستم، به طور جامع با استفاده از منابع انرژی مختلف برای دستیابی به بهترین حالت کار، ادغام می‌کند و همچنین می‌تواند از باتری‌ها برای بهبود بیشتر نرخ تضمین منبع تغذیه بار سیستم، مانند سیستم اینورتر SMD شرکت AES، استفاده کند. این سیستم می‌تواند برق واجد شرایط را برای بارهای محلی فراهم کند و می‌تواند به عنوان یک UPS آنلاین (منبع تغذیه بدون وقفه) کار کند. برق همچنین ممکن است به شبکه تأمین یا از آن دریافت شود. حالت کار سیستم معمولاً به صورت موازی با برق تجاری و برق خورشیدی است. برای بار محلی، اگر برق تولید شده توسط ماژول‌های فتوولتائیک برای استفاده بار کافی باشد، مستقیماً از برق تولید شده توسط ماژول‌های فتوولتائیک برای تأمین نیازهای بار استفاده می‌کند. اگر توان تولید شده توسط ماژول‌های فتوولتائیک از تقاضای بار فوری بیشتر باشد، توان اضافی نیز می‌تواند به شبکه بازگردانده شود. اگر توان تولید شده توسط ماژول‌های فتوولتائیک کافی نباشد، برق شهری به طور خودکار فعال می‌شود و از برق شهری برای تأمین تقاضای بار محلی استفاده می‌شود. هنگامی که مصرف برق بار کمتر از 60٪ از ظرفیت نامی برق شهری اینورتر SMD باشد، برق شهری به طور خودکار باتری را شارژ می‌کند تا اطمینان حاصل شود که باتری برای مدت طولانی در حالت شناور قرار دارد. اگر برق شهری قطع شود، یعنی برق شهری قطع شود یا اگر کیفیت برق شهری مطابق استاندارد نباشد، سیستم به طور خودکار برق شهری را قطع کرده و به حالت کار مستقل تغییر می‌دهد و برق AC مورد نیاز بار توسط باتری و اینورتر تأمین می‌شود. به محض اینکه برق شهری به حالت عادی برگردد، یعنی ولتاژ و فرکانس به حالت عادی فوق‌الذکر بازگردد، سیستم باتری را قطع می‌کند، به حالت متصل به شبکه تغییر می‌دهد و برق را از برق شهری تأمین می‌کند. در برخی از سیستم‌های منبع تغذیه هیبریدی متصل به شبکه، عملکردهای نظارت، کنترل و جمع‌آوری داده‌ها نیز می‌توانند در تراشه کنترل ادغام شوند. اجزای اصلی چنین سیستمی، کنترلر و اینورتر هستند.

سیستم فتوولتائیک مستقل از شبکه

سیستم تولید برق فتوولتائیک خارج از شبکه نوع جدیدی از منبع تغذیه است که از ماژول‌های فتوولتائیک برق تولید می‌کند، شارژ و دشارژ باتری را از طریق کنترل‌کننده مدیریت می‌کند و انرژی الکتریکی را از طریق اینورتر به بار DC یا بار AC تأمین می‌کند. این سیستم به طور گسترده در فلات‌ها، جزایر، مناطق کوهستانی دورافتاده و عملیات میدانی با محیط‌های خشن استفاده می‌شود. همچنین می‌تواند به عنوان منبع تغذیه برای ایستگاه‌های پایه ارتباطی، جعبه‌های چراغ تبلیغاتی، چراغ‌های خیابانی و غیره استفاده شود. سیستم تولید برق فتوولتائیک از انرژی طبیعی پایان‌ناپذیر استفاده می‌کند که می‌تواند به طور مؤثر تضاد تقاضا را در مناطقی با کمبود برق کاهش دهد و مشکلات زندگی و ارتباطات را در مناطق دورافتاده حل کند. محیط زیست جهانی را بهبود بخشیده و توسعه پایدار انسانی را ارتقا دهد.

عملکردهای سیستم

پنل‌های فتوولتائیک اجزای تولید برق هستند. کنترل‌کننده فتوولتائیک، انرژی الکتریکی تولید شده را تنظیم و کنترل می‌کند. از یک طرف، انرژی تنظیم‌شده به بار DC یا بار AC ارسال می‌شود و از طرف دیگر، انرژی اضافی برای ذخیره‌سازی به باتری ارسال می‌شود. هنگامی که برق تولید شده نمی‌تواند نیازهای بار را برآورده کند، کنترل‌کننده، برق باتری را به بار ارسال می‌کند. پس از شارژ کامل باتری، کنترل‌کننده باید باتری را کنترل کند تا بیش از حد شارژ نشود. هنگامی که انرژی الکتریکی ذخیره شده در باتری تخلیه می‌شود، کنترل‌کننده باید باتری را کنترل کند تا بیش از حد تخلیه نشود تا از باتری محافظت شود. هنگامی که عملکرد کنترل‌کننده خوب نباشد، تأثیر زیادی بر عمر باتری و در نهایت بر قابلیت اطمینان سیستم خواهد گذاشت. وظیفه باتری ذخیره انرژی است تا بار بتواند در شب یا روزهای بارانی تغذیه شود. اینورتر وظیفه تبدیل برق DC به برق AC را برای استفاده توسط بارهای AC بر عهده دارد.