جریان و اجزای انرژی PV خورشیدی

مفهوم اصلی

سیستم فتوولتائیک انرژی نور (انرژی خورشیدی) را از طریق پنل های PV به جریان مستقیم (DC) تبدیل می کند، سپس آن را از طریق یک اینورتر به برق جریان متناوب (AC) تبدیل می کند و در نهایت آن را به شبکه یا برای استفاده بار محلی تحویل می دهد. ساختار نصب و لوازم جانبی (جعبه های اتصال، کانکتورها، کابل ها، و غیره) پشتیبانی ساختاری و اجزای اتصال الکتریکی ضروری هستند که این فرآیند تبدیل و انتقال انرژی را ممکن می سازند.

اجزای اصلی و نقش آنها در جریان الکتریکی

1. پانل های PV (ماژول):

• نقش: نقطه شروع سیستم، واحد تولید برق هسته. از اثر فتوولتائیک برای تبدیل مستقیم نور خورشید به جریان مستقیم (DC) استفاده می کند.

• ویژگی های الکتریکی: یک پنل منفرد ولتاژ محدود (مثلاً 30-50 ولت DC)، جریان (مثلاً 8-12 آمپر)، و توان (مثلاً 300 وات-600 وات +) تولید می کند.

2. جعبه اتصال:

• جمع‌آوری و خروجی جریان: جریان را از سلول‌های متصل به سری داخل پنل PV جمع‌آوری می‌کند و آن را از طریق سیم‌های مثبت (+) و منفی (-) خارج می‌کند.

• دیود بای پس: جزء الکتریکی حیاتی! اگر یک پانل سایه یا آسیب ببیند و خروجی آن کاهش یابد، می تواند به یک 'گلوگاه' در رشته سری تبدیل شود که نه تنها تولید برق نمی کند بلکه گرم می شود (اثر نقطه داغ). دیود بای پس اجازه می دهد تا جریان در اطراف پانل با عملکرد ضعیف از طریق خود دیود جریان یابد و اطمینان حاصل شود که جریان از پانل های سالم دیگر می تواند عبور کند. این ماژول را محافظت می کند و کارایی کلی سیستم را افزایش می دهد.

• نقطه اتصال: رابط های استاندارد (معمولا سوکت های MC4) را برای اتصال آسان به پانل ها یا کابل های دیگر با استفاده از کابل ها و کانکتورها فراهم می کند.

• مکان: به طور معمول در پشت هر پانل PV نصب می شود.

• نقش:

3. لوازم جانبی - کابل ها و اتصالات:

• اتصال بین پنل: از کابل های کوتاه از پیش ساخته شده با دوشاخه های MC4 ('پرش ها') برای اتصال ترمینال مثبت (+) جعبه اتصال یک پانل به ترمینال منفی (-) پانل بعدی استفاده می کند و به اتصال سری می رسد (ولتاژ را افزایش می دهد). همچنین می تواند برای اتصال موازی استفاده شود (جریان را افزایش می دهد)، اما به روش های ترکیبی مناسب نیاز دارد.

• خروجی رشته: خروجی های مثبت (+) و منفی (-) یک رشته متصل به سری از پانل های PV (به نام 'رشته') را از طریق کابل های PV DC طولانی تر به سمت جعبه DC Combiner یا مستقیماً به اینورتر (برای سیستم های کوچک یا اینورترهای رشته ای) هدایت می کند. این کابل‌های بلندتر 'کابل‌های رشته‌ای' هستند.

• کابل‌های PV DC: به‌ویژه برای محیط‌های PV در فضای باز طراحی شده‌اند: مقاوم در برابر دماهای بالا (۹۰ درجه سانتی‌گراد)، اشعه ماوراء بنفش، هوازدگی و مقاوم در برابر شعله (معمولاً کابل مخصوص PV مانند TUV PV1-F دارای گواهینامه). شامل کابل مثبت (+) و کابل منفی (-).

• اتصالات PV: معمولاً انواع MC4 یا سازگار. به عنوان کانکتورهای قفل کننده ضد آب، ایمن لمسی طراحی شده است.

• انواع:

• نقش:

4. لوازم جانبی - جعبه کمباین DC:

• ترکیب رشته ها: خروجی های DC چندین رشته PV (به عنوان مثال، 4، 6، 8، 10، 12، 16) را با اتصال موازی آنها ترکیب می کند.

• حفاظت: یک نقطه حفاظتی کلیدی در سمت DC.

• خروجی: خروجی های ترکیبی DC مثبت (+) و منفی (-) از طریق کابل های DC گیج سنگین تر به اینورتر هدایت می شوند.

• فیوز / قطع کننده مدار DC: برای هر رشته ورودی محافظت در برابر جریان اضافه ارائه می دهد. از جریان خطا از سایر رشته‌ها 'backfeeding' جلوگیری می‌کند و در صورت کوتاه شدن رشته‌های معیوب به پانل‌های PV آسیب می‌زند.

• دستگاه های حفاظت از نوسانات (SPD): در برابر نوسانات ناشی از رعد و برق در خطوط DC که به تجهیزات پایین دستی مانند اینورتر آسیب می رساند، محافظت می کند.

• سوئیچ/ایزولاتور قطع اتصال: امکان قطع ایمن سمت DC را برای تعمیر و نگهداری یا موارد اضطراری فراهم می کند.

• مکان: در سیستم‌های اینورتر رشته‌ای که معمولاً در نزدیکی آرایه PV و اینورتر نصب می‌شوند (مثلاً روی سقف، کنار پایه‌های زمین یا در اتاق سوئیچ).

• نقش:

5. اینورتر:

• تبدیل DC به AC: الکتریسیته DC تولید شده توسط پانل های PV را به برق AC سازگار با شبکه یا بارهای محلی (مثلاً 220V/380V، 50Hz) تبدیل می کند.

• حداکثر ردیابی نقطه برق (MPPT): به طور مداوم نقطه عملکرد ورودی DC را نظارت و تنظیم می کند تا آرایه PV در حداکثر توان خروجی خود کار کند و برداشت انرژی را به حداکثر برساند.

• برهمکنش شبکه (برای گرید-Tied): ولتاژ و فرکانس شبکه را برای سیستم های متصل به شبکه کنترل می کند و از هماهنگی جریان خروجی با شبکه برای برآورده کردن الزامات اتصال متقابل اطمینان می دهد. در صورت تشخیص خطای شبکه، به طور خودکار از شبکه جدا می شود (محافظت ضد جزیره ای).

• مانیتورینگ و ارتباطات: معمولاً دارای یک دیتالاگر داخلی، تولید ضبط، وضعیت و غیره است و داده ها را از طریق سیم (RS485، اترنت) یا بی سیم (WiFi، 4G) به یک پلت فرم نظارت منتقل می کند.

• عملکردهای حفاظتی: حفاظت های متعددی را ارائه می دهد: ولتاژ بیش از حد / کمتر از فرکانس، بیش از حد / کمتر از فرکانس، جریان بیش از حد، دمای بیش از حد، قطبیت معکوس، خطاهای عایق و غیره.

• نقش: 'قلب' سیستم، واحد تبدیل قدرت هسته.

• ورودی: الکتریسیته DC را از DC Combiner Box (یا مستقیماً از رشته ها) دریافت می کند.

• خروجی: برق AC تولید می کند.

6. لوازم جانبی - کابل های AC:

• نقش: خروجی AC را از اینورتر به تابلوی توزیع AC (ACDB) یا مستقیماً به نقطه اتصال (POI) با بارهای شبکه / محلی منتقل می کند.

• الزامات: کابل های برق AC استاندارد مطابق با کدهای الکتریکی محلی (به عنوان مثال، THHN/THWN، XHHW در کانال، یا USE-2/RHW-2 برای دفن مستقیم).

7. هیئت توزیع AC (ACDB) / مرکز بار:

• حفاظت و توزیع: شامل کلیدهای مدار است که حفاظت (اضافه بار و اتصال کوتاه) را برای خروجی AC اینورتر فراهم می کند.

• اندازه گیری: دارای یک کنتور برق (کیلووات ساعت) برای اندازه گیری تولید انرژی سیستم PV (انرژی وارد شده به شبکه یا مصرفی خود).

• نقطه اتصال به شبکه: نقطه اتصال نهایی بین سیستم و شبکه یا تابلو برق اصلی کاربر. متر ابزار معمولاً در اینجا یا نزدیک نصب می شود.

• حفاظت از ولتاژ: SPD های جانبی AC.

• ایزوله: یک سوئیچ ایزولاسیون برای نگهداری فراهم می کند.

• نقش:

8. شبکه / بارها:

• سیستم گرید-Tied: الکتریسیته AC تبدیل شده برای استفاده توسط دیگران به شبکه تغذیه می شود. قدرت سیستم ابتدا توسط بارهای محلی استفاده می شود. مازاد به شبکه صادر می شود. کسری از شبکه وارد می شود.

• سیستم خارج از شبکه: برق متناوب مستقیماً به بارهای محلی (اغلب به ذخیره سازی باتری نیاز دارند) تأمین می شود.

• نقش:

نقش ساختار نصب (هسته غیر الکتریکی، اما برای عملکرد الکتریکی حیاتی)

• پشتیبانی ساختاری: این تابع اصلی است. پانل های PV را به طور ایمن بر روی سقف، زمین یا سایر سازه ها ثابت می کند، باد، برف، باران و بارهای مرده را تحمل می کند و اطمینان می دهد که پانل ها در زاویه و موقعیت بهینه کار طولانی مدت دارند.

• بهینه‌سازی زاویه: پایه‌ها را می‌توان با شیب ثابت یا با استفاده از سیستم‌های ردیابی برای به حداکثر رساندن تابش خورشیدی دریافتی توسط پانل‌ها، که مستقیماً بر بازده انرژی (خروجی نهایی سیستم الکتریکی) تأثیر می‌گذارد.

• تهویه و خنک‌سازی: طراحی مناسب نصب (مثلاً نصب بالا) جریان هوا را در پشت پانل‌ها فراهم می‌کند و به خنک‌کاری کمک می‌کند. دماهای بالاتر بازده پانل PV را کاهش می دهد.

• مسیر زمین: ساختار نصب فلزی یک بخش حیاتی از کل سیستم زمین آرایه PV است. این یک مسیر کم امپدانس به زمین زمین برای قاب های پانل، ریل ها و سایر اجزای فلزی فراهم می کند، جریان های خطای احتمالی یا جریان های صاعقه را به طور ایمن به زمین هدایت می کند، از تجهیزات و پرسنل محافظت می کند. هادی های زمین به ریل های نصب و قاب آرایه متصل می شوند.

خلاصه کامل جریان الکتریکی

1. انرژی نور -> الکتریسیته DC: نور خورشید به پانل های PV برخورد می کند و برق DC تولید می کند.

2. مجموعه و حفاظت درون پانل: جریان از طریق جعبه اتصال جمع آوری و خروجی می شود. دیود بای پس در صورت نیاز محافظت می کند.

3. تشکیل رشته: کابل‌ها و کانکتورهای PV چندین پانل را به‌صورت سری به هم متصل می‌کنند و یک «رشته» با ولتاژ خروجی بالاتر را تشکیل می‌دهند.

4. ترکیب و حفاظت رشته ها: خروجی های DC از چندین رشته از طریق کابل های رشته ای به جعبه ترکیب کننده DC متصل می شوند. جعبه ترکیبی رشته ها را به صورت موازی به هم متصل می کند و جریان خروجی را افزایش می دهد و از طریق فیوز/شکن داخلی و SPD محافظت می کند.

5. انتقال DC: توان DC ترکیبی از طریق کابل های DC اصلی به اینورتر منتقل می شود.

6. DC -> AC Conversion & Optimization: اینورتر DC را به AC تبدیل می کند و توان ورودی را از طریق MPPT به حداکثر می رساند.

7. خروجی و حفاظت AC: خروجی AC اینورتر از طریق کابل های AC به برد توزیع AC (ACDB) منتقل می شود.

8. اندازه گیری و اتصال به شبکه: در ACDB، پس از حفاظت توسط قطع کننده های متناوب، انرژی توسط کنتور اندازه گیری می شود و در نهایت با شبکه در نقطه اتصال (POI) به شبکه متصل می شود یا به بارهای محلی عرضه می شود.

9. مصرف/صادرات انرژی: برق AC توسط بارها مصرف می شود یا به شبکه صادر می شود.

ساختار نصب، پشتیبانی فیزیکی، بهینه‌سازی زاویه، محیط خنک‌کننده، و پایه اتصال به زمین را برای پانل‌های PV، جعبه‌های اتصال، کانکتورها و کابل‌ها (داخل آرایه) در مراحل 1-4 فراهم می‌کند. این زیرساختی است که تضمین می کند فرآیند الکتریکی ایمن، پایدار و کارآمد عمل می کند.

خلاصه لوازم جانبی: جعبه‌های اتصال، کانکتورها، کابل‌ها (DC + AC)، جعبه‌های ترکیب‌کننده، بریکرها/مترها در ACDB و غیره، همه «قطعات» ضروری هستند که مسیر الکتریکی کامل را تشکیل می‌دهند، انتقال انرژی را امکان‌پذیر می‌کنند و حفاظت ایمنی را فراهم می‌کنند.

درک این جریان و نقش هر جزء به وضوح نشان می دهد که چگونه انرژی خورشیدی گام به گام به برق قابل استفاده تبدیل می شود.