سیستم پشتیبانی هسته ای برای تولید برق فتوولتائیک

در موج انتقال انرژی جهانی، تولید برق فتوولتائیک به دلیل مزایای پاک و تجدیدپذیر آن به شکل مهمی از انرژی جدید تبدیل شده است. به عنوان پشتیبان اصلی تولید برق فتوولتائیک، سیستم براکت فتوولتائیک کلید دستیابی به تولید برق کارآمد است. یک سیستم کامل براکت فتوولتائیک یک دستگاه واحد نیست، بلکه یک کل ارگانیک متشکل از اجزای هسته‌ای متعدد مانند پانل‌های فتوولتائیک، اینورترها، باتری‌ها، براکت‌ها و کابل‌ها است که با هم کار می‌کنند. هر جزء یک عملکرد ضروری را بر عهده می گیرد و به طور جمعی یک زنجیره کامل از جذب انرژی نور، تبدیل، ذخیره سازی تا انتقال نیرو را تشکیل می دهد.

اینورتر «مبدل برق» سیستم فتوولتائیک و یک دستگاه کلیدی است که پانل‌های فتوولتائیک را به شبکه برق یا بارها متصل می‌کند. از آنجایی که برق تولید شده توسط پانل های فتوولتائیک جریان مستقیم است، در حالی که برق خانگی، برق صنعتی و انتقال شبکه برق جریان متناوب هستند، وظیفه اصلی اینورتر تبدیل موثر جریان مستقیم خروجی پانل های فتوولتائیک به جریان متناوب مطابق با استانداردهای شبکه است. با توجه به سناریوهای کاربردی مختلف، اینورترها را می توان به سه دسته اینورتر متمرکز، اینورتر رشته ای و میکرو اینورتر تقسیم کرد. اینورترهای متمرکز برای نیروگاه های فتوولتائیک زمینی در مقیاس بزرگ مناسب هستند، با مزایای قدرت بالا و هزینه کم، اما به سایه های محلی حساس هستند. اینورترهای رشته ای می توانند ردیابی نقطه حداکثر توان (MPPT) را برای هر رشته فتوولتائیک انجام دهند، که می تواند به طور موثر تلفات تولید برق ناشی از انسداد سایه را کاهش دهد و به طور گسترده در نیروگاه های توزیع صنعتی و تجاری استفاده می شود. میکرو اینورترها مستقیماً روی هر پانل فتوولتائیک نصب می‌شوند تا تبدیل مستقل و نظارت بر یک پنل فتوولتائیک واحد را محقق کنند، که راندمان تولید برق و قابلیت اطمینان سیستم را تا حد زیادی بهبود می‌بخشد و برای سناریوهای فتوولتائیک خانگی یا سقف‌های پیچیده مناسب است. علاوه بر این، اینورترهای با کیفیت بالا دارای عملکردهای ایمنی مانند حفاظت از اضافه ولتاژ، حفاظت از جریان اضافه و حفاظت از اثر جزیره ای هستند که به عنوان 'حفاظ ایمنی' برای تضمین عملکرد پایدار سیستم عمل می کنند.

به عنوان 'بانک انرژی' سیستم فتوولتائیک، باتری‌ها نقش مهمی در ذخیره‌سازی انرژی ایفا می‌کنند، که به ویژه در سیستم‌های فتوولتائیک خارج از شبکه یا سناریوهایی که در آن‌ها سرکوب نوسانات خروجی مورد نیاز است، ضروری است. عملکرد اصلی آنها ذخیره برق اضافی تولید شده توسط پانل های فتوولتائیک در صورت وجود نور کافی خورشید و رهاسازی آن در صورت کمبود نور خورشید یا در شب است که تداوم و پایداری منبع تغذیه را تضمین می کند. در حال حاضر، انواع رایج باتری‌های مورد استفاده در ذخیره‌سازی انرژی فتوولتائیک شامل باتری‌های لیتیومی، باتری‌های سرب اسیدی و باتری‌های جریان وانادیوم هستند. باتری‌های لیتیومی به دلیل مزیت‌های چگالی انرژی بالا، عمر چرخه طولانی و راندمان شارژ-دشارژ بالا (تا بیش از 90٪) به گزینه اصلی تبدیل شده‌اند. به طور خاص، باتری های لیتیوم فسفات آهن از نظر ایمنی و هزینه رقابتی تر هستند. باتری های سرب اسیدی دارای تکنولوژی بالغ و کم هزینه هستند، اما چگالی انرژی پایین و عمر مفید کوتاهی دارند که آنها را برای سیستم های کوچک خارج از شبکه مناسب می کند. باتری های جریان وانادیوم دارای ویژگی های عمر چرخه فوق العاده طولانی و ایمنی بالا هستند و برای نیروگاه های ذخیره انرژی در مقیاس بزرگ مناسب هستند، اما هزینه آنها نسبتاً بالا است. ظرفیت و عملکرد باتری ها مستقیماً بر اثر ذخیره انرژی سیستم تأثیر می گذارد و باید با توجه به عواملی مانند تقاضای برق و تولید برق فتوولتائیک به طور منطقی پیکربندی شود.

براکت 'ساختار اسکلتی' سیستم فتوولتائیک است که وظیفه تثبیت پانل های فتوولتائیک و پشتیبانی از آنها را در زاویه نصب بهینه برای به حداکثر رساندن دریافت نور خورشید دارد. نقش اصلی آن نه تنها تحمل وزن، بلکه بهبود راندمان تولید برق پانل های فتوولتائیک با بهینه سازی زاویه نصب و جهت گیری است. با توجه به سناریوهای مختلف نصب و روش های تنظیم، براکت ها را می توان به دو دسته براکت ثابت و براکت ردیابی تقسیم کرد. براکت های ثابت دارای ساختاری ساده و کم هزینه، با زاویه نصب ثابت، مناسب برای مناطق با شرایط روشنایی پایدار. براکت های ردیابی می توانند به طور خودکار نور خورشید را با تغییر زاویه و ارتفاع خورشید از طریق سنسورها و دستگاه های رانندگی ردیابی کنند که می تواند تولید برق را در مقایسه با براکت های ثابت 15 تا 30 درصد افزایش دهد. با این حال، آنها هزینه نسبتاً بالا و دشواری تعمیر و نگهداری کمی بیشتر دارند و معمولاً در نیروگاه های زمینی در مقیاس بزرگ استفاده می شوند. از نظر انتخاب مواد، براکت ها معمولاً از مواد مقاوم در برابر آب و هوا مانند آلیاژ آلومینیوم و فولاد گالوانیزه استفاده می کنند تا با محیط های آب و هوایی پیچیده در فضای باز سازگار شوند و پایداری ساختاری سیستم را در شرایط شدید مانند باد، باران و برف تضمین کنند.

کابل ها به عنوان 'شبکه عروقی' سیستم فتوولتائیک، وظیفه مهم انتقال نیرو را بر عهده دارند که وظیفه انتقال برق تولید شده توسط پنل های فتوولتائیک به اینورترها، باتری ها و شبکه برق را بر عهده دارند. عملکرد کابل های فتوولتائیک به طور مستقیم بر راندمان انتقال نیرو و ایمنی سیستم تأثیر می گذارد، بنابراین الزامات فنی سختگیرانه ای برای آنها وجود دارد. در مرحله اول، کابل ها باید رسانایی عالی داشته باشند تا اتلاف برق در طول انتقال کاهش یابد. ثانیاً، به دلیل قرار گرفتن در معرض طولانی مدت در فضای باز، باید ویژگی هایی مانند مقاومت در برابر دماهای بالا و پایین، اشعه ماوراء بنفش، ازن و پیری را داشته باشند و بتوانند با محیط های دمایی شدید از -40 تا 90 درجه سانتیگراد سازگار شوند. علاوه بر این، برای جلوگیری از خطرات ایمنی مانند اتصال کوتاه و نشت الکتریکی، باید عایق و استحکام مکانیکی خوبی داشته باشند. کابل های رایج مورد استفاده در سیستم های فتوولتائیک شامل کابل های DC و کابل های AC هستند. کابل‌های DC پانل‌های فتوولتائیک را به اینورترها متصل می‌کنند و نیاز به مقاومت در برابر ولتاژ DC بالا دارند. کابل های AC اینورترها را به شبکه برق یا بارها متصل می کنند و باید استانداردهای ولتاژ AC شبکه برق را رعایت کنند. انتخاب معقول مشخصات کابل، طراحی مناسب سیم کشی و اقدامات حفاظتی، کلیدهای تضمین انتقال کارآمد و ایمن برق هستند.

در کل سیستم براکت فتوولتائیک، هر جزء به صورت مجزا وجود ندارد، اما یک حلقه بسته کارآمد و مشارکتی را از طریق همکاری دقیق تشکیل می دهد. هنگامی که نور خورشید به پانل های فتوولتائیک تابش می کند، پانل های فتوولتائیک جریان مستقیم را از طریق اثر فوتوالکتریک تولید می کنند. جریان مستقیم از طریق کابل های DC به اینورتر منتقل می شود. پس از اینکه اینورتر آن را به جریان متناوب تبدیل کرد، بخشی از آن مستقیماً به بار عرضه می‌شود و بخشی دیگر از الکتریسیته اضافی می‌تواند از طریق کابل برای ذخیره‌سازی به باتری منتقل شود یا در شبکه برق ادغام شود تا برق مازاد را متوجه شود در صورت کمبود نور خورشید، برق ذخیره‌شده در باتری از طریق منبع تغذیه به جریان متناوب تبدیل می‌شود. براکت‌ها با بهینه‌سازی زاویه و جهت پانل‌های فتوولتائیک، کارایی جذب انرژی نور را به حداکثر می‌رسانند. کابل ها انتقال کارآمد برق بین قطعات را تضمین می کنند و تلفات را کاهش می دهند.