Фотоволтаика: как работят фотоволтаични системи и панели
Научи как работят фотоволтаичните панели и системи: принципи, видове, монтаж, икономии и интеграция в сгради — практическо ръководство за ефективна слънчева енергия.
Фотоволтаиците (ФВ) са масиви от клетки, съдържащи фотоволтаичен материал, който преобразува слънчевата радиация или енергията от слънцето в електричество с постоянен ток. Поради нарастващото търсене на възобновяеми енергийни източници производството на слънчеви клетки и фотоволтаични масиви напредна значително през последните години, а разходите намаляха.
Слънчевата фотоволтаична енергия се развива с бързи темпове - от малка база до общ световен капацитет от 130 000 MW в края на 2013 г. Повече от 100 държави използват фотоволтаични системи. Инсталациите могат да бъдат монтирани на земята (и понякога интегрирани със земеделието и пасищата) или вградени в покрива или стените на сграда.
Как работят фотоволтаичните клетки
Фотоните от слънчевата светлина попадат върху полупроводников материал (обикновено силиций) и предизвикват отделяне на електрони чрез фотоволтаичен ефект. Всяка клетка има p–n преход (две слоя с различни електронни свойства), който създава електрическо напрежение. Когато множество клетки са свързани последователно и поставени в рамка, те образуват модул (панел), който произвежда директен ток (DC). За да се използва в домовете и в мрежата, този ток се преобразува в променлив (AC) чрез инвертор.
Основни компоненти на фотоволтаична система
- Фотоволтаични панели (модули) – събират слънчевата енергия.
- Инвертор – преобразува постоянния ток в променлив; има различни видове: централен/стрингов, микроинвертори и хибридни инвертори.
- Монтажна конструкция – закрепва панелите на покрива или на земята и осигурява оптимален наклон.
- Кабели и защити – предпазители, прекъсвачи, предпазители от пренапрежение и системи за заземяване.
- Батерии и контролери – при автономни (off‑grid) или хибридни системи за съхранение на енергия.
- Мониторинг и измерване – устройства за следене на производството и ефективността.
Типове панели и материали
Най-разпространените технологии са:
- Монокристален силиций – най-висока ефективност, по-висока цена, по-компактен външен вид.
- Поликристален (много-кристален) силиций – по-ниска цена, малко по-ниска ефективност.
- Тънкослойни (thin-film) – по-леки и гъвкави, по-ниска ефективност; използват материали като CIGS, CdTe и аморфен силиций.
- Двулицеви (bifacial) панели – събират светлина от двете страни и дават допълнителен добив при подходящи условия.
Видове инсталации
- Свързани към мрежата (grid-tied) – най-разпространени; излишъкът на енергия може да бъде подаван в мрежата (в страни с нет-метъринг това се отчита финансово).
- Автономни (off‑grid) – работят самостоятелно с батерии; подходящи за отдалечени места.
- Хибридни – комбинират връзка към мрежата и съхранение в батерии за гъвкавост и автономност.
- Наземни и покривни – наземните могат да имат оптимална ориентация и охлаждане; покривните използват наличната площ на сградата. Съществува и строително-интегрирана фотoволтаика (BIPV).
Проектиране, ориентация и влияние на условията
За да се извлече максимален добив, панелите трябва да имат правилна ориентация и наклон: в северното полукълбо обикновено е оптимално южно изложение и наклон, близък до географската ширина (съществуват и сезонни оптимизации). Сенки върху дори малка част от панела значително намаляват производството; затова проектирането избягва засенчване от комини, дървета и други препятствия. Температурата влияе отрицателно върху ефективността — при по-висока температура мощността се намалява.
Производителност и живот
Стандартният срок на експлоатация на качествените панели е 25–30 години, като производителността се намалява постепенно (типично деградация около 0.5–1% годишно). Повечето производители дават гаранция за производителност (например минимум 80–90% от първоначалната мощност след 25 години) и продуктова гаранция срещу фабрични дефекти. Поддръжката е сравнително лесна: периодично почистване от прах и листа, проверка на монтажните елементи и електрическите връзки.
Екологични и икономически аспекти
Фотоволтаиката произвежда електричество без директни емисии на парникови газове по време на експлоатация. Времето за възвръщаемост на вложената енергия (energy payback) често е няколко години в зависимост от технологията и локацията. Производството и рециклирането на панели изискват внимание — някои материали могат да бъдат рециклирани, но за това са нужни подходящи програми и инфраструктура.
Какво да имате предвид при избор на система
- Определете енергийното потребление и целите: намаляване на сметки, енергийна независимост или инвестиция.
- Проверете състоянието и носимоспособността на покрива преди монтаж.
- Сравнете оферти от сертифицирани инсталатори и поискайте референции.
- Информирайте се за местните законови изисквания, разрешителни, данъчни облекчения и програми за субсидиране или нет-метъринг.
- Оценете икономическата възвръщаемост и гаранциите на панелите и инверторите.
Заключение: Фотоволтаичните системи са доказана технология за производство на чиста електроенергия с бързо намаляващи разходи и широк спектър от приложения — от малки покривни инсталации до големи слънчеви паркове. Добро проектиране, избор на подходяща технология и качествен монтаж гарантират дълготрайна и ефективна работа.
Фотоволтаична система "дърво" в Щирия, Австрия
Слънчева електроцентрала "Нелис" във военновъздушната база "Нелис" в САЩ. Тези панели проследяват слънцето в една ос.
Панели
Фотоволтаичните слънчеви панели се предлагат с различни напрежения. Най-често срещаните са 12, 24 и 48 волта. Подобно на батериите, няколко соларни панела могат да бъдат свързани помежду си, за да произвеждат по-високи напрежения, например два 48-волтови панела, свързани помежду си, ще произвеждат 96 волта. Инверторът, батериите и слънчевите панели в една система обикновено са с едно и също напрежение. Предимството на системата с по-високо напрежение е, че се използва по-тънък проводник, който е по-евтин и по-лесен за прокарване през канали. Недостатъкът на инсталацията с по-високо напрежение е, че опасността от токов удар и дъгова вълна става по-голяма, така че инсталации с напрежение над 48 V обикновено се срещат само в слънчеви електроцентрали или търговски сгради.
Фотоволтаичната инсталация обикновено включва масив от слънчеви панели, инвертор, акумулаторни батерии (за използване през нощта), контролер на заряда (устройство, което предпазва батериите от презареждане), два прекъсвача GFCI (един преди инвертора и един след него) и свързващи кабели. Понякога след инвертора има и трансформатор, който може да захранва тежки уреди с напрежение 240 V, като например сушилня за дрехи или фурна. Трансформаторът често е част от инвертора и не може да се види. Всичко след инвертора (или трансформатора, ако има такъв) се настройва като нормална инсталация, захранвана от комунални услуги (прекъсвач, осветление, контакти, ключове и т.н.). Ако няма трансформатор, могат да се използват само 120-волтови устройства. Инсталациите без трансформатор трябва да бъдат обозначени като такива на таблото с прекъсвачи, за да се предупреждават бъдещите електротехници, че не могат да се инсталират 240-волтови уреди. В някои инсталации има осветление на постоянен ток (DC) и евентуално уреди на DC. Предимството на това е, че при постояннотокови товари се избягват загубите в инвертора. Тези инсталации ще имат отделен панел за прекъсвач за постоянен ток, свързан преди инвертора. От съображения за безопасност кабелите за постоянен ток не могат да се прокарват в един и същи канал с кабелите за променлив ток, а контактите за постоянен ток не трябва да приемат щепсел за променлив ток и обратно.
Най-големите фотоволтаични електроцентрали в света (остаряло)
| Най-големите фотоволтаични електроцентрали в света (50 MW или по-големи) | |||||
| Фотоволтаична електроцентрала | Държава | Координати на обекта | Номинална | Производство ( | Бележки и препратки |
| Слънчева ферма Topaz | САЩ | 35°23′ с. ш. 120°4′ з. д. / 35.383° с. ш. 120. з. д. | 500 | инсталирана мощност към юни 2014 г. към крайния капацитет 550 MW | |
| Слънчева ферма Desert Sunlight | САЩ | 33°49′33″N 115°24′08″W / 33.82583°N 115. | 500 | Въведени в експлоатация през ноември 2013 г. към краен капацитет 550 MW | |
| Соларен парк на язовир Longyangxia | Китай | 36°07′20″ с. ш. 100°55′06″ и. д. / 36.12222° с. ш. 100. и. д. | 320 | Завършено през декември 2013 г. | |
| Solar Star I и II | САЩ | 309 | В процес на изграждане, 579MW след завършване | ||
| Слънчево ранчо в долината на Калифорния | САЩ | 35°20′ с. ш. 119°55′ з. д. / 35.333° с. ш. 119. з. д. | 292 | 399 | |
| Проект за слънчева енергия Agua Caliente | САЩ | 32°57.2′N 113°29.4′W / 32.9533°N 113. | 290 | 626 | завършен април 2014 г. |
| Слънчево ранчо в долината Антелопе | САЩ | 34°46′N 118°25′W / 34.767°N 118. | 266 | 230 MWAC . Получила е държавна гаранция за заем | |
| Соларен парк Чаранка | Индия | 23°54′ с. ш. 71°12′ и. д. / 23.900° с. ш. 71. и. д. | 224 | Колекция от 17 съвместно разположени електроцентрали, от които най-голямата е 25 MW | |
| Проект за слънчева енергия в Мескит | САЩ | 33°20′N 112°55′W / 33.333°N 112. | 207 | 413 | до 700 MW след завършване |
Фотоволтаични електроцентрали
Фотоволтаичен парк Lieberose.
Соларен парк Waldpolenz.
.jpg)
Соларен парк Vepřek.
Президентът Барак Обама в Центъра за слънчева енергия от следващо поколение в ДеСото.
Слънчеви клетки
Соларната клетка или фотоволтаичната клетка е устройство, което превръща светлинната енергия в електричество. Фотоволтаиците са най-известни като метод за производство на електроенергия чрез използване на соларни клетки за преобразуване на енергията от слънцето в поток от електрони. Фотоволтаичният ефект е забелязан за първи път от Александър-Едмон Бекерел през 1839 г. Ерик Сийл (11 юли 2003 г.). "Фотоволтаичен ефект". Архивирано от оригинала на 12 октомври 2010 г. Извлечено на 24 май 2012 г. Практически всички фотоволтаични устройства са някакъв вид фотодиоди.
Слънчевите клетки могат да се използват за захранване на инструменти или за зареждане на акумулаторна батерия. Първото реално приложение на фотоволтаиците е било за захранване на орбитални спътници и други космически кораби, но днес повечето фотоволтаични модули се използват за създаване на електроенергия, свързана с мрежата. В този случай е необходим инструмент, наречен инвертор, който да преобразува постоянния ток в променлив. Клетките се нуждаят от защита от околната среда и обикновено се опаковат плътно зад стъклен лист. Когато се изисква повече енергия, отколкото може да отделя една клетка, клетките се свързват електрически заедно, за да образуват фотоволтаични модули или слънчеви панели. Един модул е достатъчен за захранване на телефон за спешни случаи, но за къща или електроцентрала модулите трябва да бъдат подредени в множество като масиви.
Въпроси и отговори
В: Какво представлява фотоволтаиката?
О: Фотоволтаиците (ФВ) са масиви от клетки, съдържащи фотоволтаичен материал, който преобразува слънчевата радиация или енергията от слънцето в електричество с постоянен ток.
В: Как се е развило производството на слънчеви клетки и фотоволтаични масиви през последните години?
О: Поради нарастващото търсене на възобновяеми енергийни източници, производството на слънчеви клетки и фотоволтаични масиви напредна значително през последните години, а разходите намаляха.
В: Какъв е глобалният капацитет на фотоволтаиците в края на 2013 г.?
О: В края на 2013 г. общият световен капацитет на фотоволтаиците е 130 000 MW.
Въпрос: В колко държави се използват фотоволтаици?
О: Повече от 100 държави използват фотоволтаични системи.
В: Къде могат да се правят инсталации за фотоволтаици?
О: Инсталациите могат да бъдат монтирани на земята (и понякога интегрирани със земеделието и пасищата) или вградени в покрива или стените на сграда.
В: Какъв вид електроенергия произвеждат фотоволтаиците?
О: Фотоволтаиците произвеждат електричество с постоянен ток.
обискирам