Solárne fotovoltaické (PV) systémy sú jedným zo základných prvkov svetového energetického prechodu, ktorý umožňuje priamu premenu slnečného svetla na elektrickú energiu so špeciálnou a rýchlo sa zvyšujúcou účinnosťou. Pre každého, kto sa zaoberá činnosťami od inštalácie až po investície alebo tvorbu politiky v oblasti obnoviteľnej energie, sú kľúčové znalosti o tom, ako tieto systémy fungujú na rôznych úrovniach, vrátane znalostí o polovodičových materiáloch a meničoch-na úrovni atómu{1}}.
Fotovoltaický efekt: Základný princíp
Fotovoltaický efekt, ktorý je základným konceptom solárneho panelu, je mätúcim fyzikálnym javom, ktorý sa pripisuje výskumu francúzskeho vedca Edmonda Becquerela v roku 1839. Tento jav zahŕňa príspevok fotónov, častíc slnečného svetla, ktoré odovzdávajú svoju energiu polovodičovým materiálom a spôsobujú excitáciu elektrónov.
Solárne panely sú zvyčajne vyrobené zo špecifického polovodičového materiálu nazývaného kryštalický kremík. Proces výroby kremíka vhodného pre solárne panely zahŕňa niekoľko krokov, vrátane jeho „dopovania“ nečistotami, aby sa vytvorili dve rôzne vrstvy. Jedna vrstva sa nazýva vrstva typu n- a má elektróny navyše, zatiaľ čo druhá vrstva je vrstva typu p-, ktorá vytvára elektrónové nedostatky (diery). Bod, kde sa tieto dve vrstvy stretávajú, sa nazýva p-n prechod a bude mať vnútorné elektrické polia v dôsledku pohybu elektrónu v dôsledku energie a následného vytvárania nábojov, kde vrstva typu n- má viac elektrónov a vrstva typu p- má diery. Preto, keď sú solárne panely osvetlené, dochádza k vytváraniu rozdielu napätia a v dôsledku toho k značnému množstvu jednosmerného elektrického napätia.
Aj keď jeden solárny panel generuje málo energie (v rozsahu od 0,5 do 0,6 voltu a iba niekoľko wattov), preto je potrebné niekoľko panelov navzájom prepojiť, aby sa vyrábala väčšia elektrina.
Z jednosmerného prúdu na striedavý prúd: kľúčová úloha striedača
Solárne panely vyrábajú elektrinu na jednosmerný prúd, ale väčšina domácich spotrebičov a elektrickej siete používa striedavý prúd. Na premenu jednosmernej elektriny na striedavú elektrinu je potrebný invertor. Invertor je známy ako „mozog“ slnečnej sústavy, pretože vykonáva konverziu.
V dnešnom svete invertory robia viac než len konverziu. Invertory využívajú najnovšiu technológiu sledovania bodu maximálneho výkonu (MPPT), ktorá je navrhnutá tak, aby pomáhala pri neustálom prispôsobovaní zaťaženia elektrickou energiou. Zaručuje najvyššie možné množstvo elektrickej energie bez ohľadu na poveternostné podmienky.
Meniče ponúkajú dôležité monitorovacie a bezpečnostné funkcie. Dokážu zistiť výpadky prúdu a deaktivovať sa (ochrana proti-ostrovu), ktorá bráni posielaniu elektriny späť do elektrického vedenia, čím zaisťuje bezpečnosť pracovníkov. Množstvo nových meničov obsahuje vstavané-monitorovacie nástroje, ktoré pomáhajú používateľom merať stav systému, vyhľadávať chyby a spravovať spotrebu elektriny v reálnom-čase prostredníctvom mobilných aplikácií alebo online systémov.
Rovnováha systému a ostatných komponentov
Kompletný solárny energetický systém obsahuje okrem invertorov a panelov aj rôzne vyvážené{0}}sú{1}}komponenty systému (BOS). Medzi takéto komponenty patria montážne systémy (strešné nosiče, zemné podporné rámy alebo systémy na sledovanie slnečného svitu), elektrické vedenie a rozvody, spojovacie skrinky, odpojovače, zariadenia na ochranu proti preťaženiu a v určitých situáciách aj monitorovacie a komunikačné zariadenia.
Pri strešných solárnych systémoch je dôležité zabezpečiť správnu montáž, aby konštrukcia zostala stabilná a nevznikali netesnosti, ako aj panely zostali v optimálnej polohe a naklonení. V severnej časti zemegule sú solárne panely umiestnené na juh s uhlom sklonu blízkym zemepisnej šírke, aby sa zabezpečila maximálna výroba elektriny. Jedno a dvojosové{2}}sledovače môžu byť použité v pozemných{3}}systémoch, ktoré pomáhajú zvýšiť výrobu energie o 15 – 25 %, keďže fotovoltaické systémy dostávajú slnečné lúče počas celého dňa. Používanie takýchto systémov má však aj svoje nevýhody.
Výkon, degradácia a účinnosť
Vo všeobecnosti sa výkon solárneho systému hodnotí prostredníctvom jeho kapacitného faktora, čo je číslo, ktoré odráža množstvo energie vyrobenej za určité časové obdobie na rozdiel od maximálnej energie, ktorú je možné vyrobiť, ak solárny systém pracuje na plný výkon 100 % času. FV systémy s pevným-náklonom majú kapacitný faktor 10 % - 20 % v závislosti od faktorov, ako je umiestnenie; kapacitný faktor pre sledovacie systémy je však o niečo vyšší ako u FV systémov s pevným{5}}náklonom a pohybuje sa od 20 % do 30 %.
Všetky solárne panely časom postupne strácajú účinnosť, pričom ich účinnosť klesá o 0,5 % - 1 % ročne. Takmer všetci výrobcovia garantujú svoje solárne panely na obdobie 25 až 30 rokov, čím zaručia, že účinnosť solárneho panelu neklesne pod 80 % až 85 % jeho počiatočnej menovitej účinnosti po uplynutí tejto doby.
Účinnosť systému závisí aj od teploty: solárne články sú menej účinné pri vyšších teplotách-jav známy ako teplotný koeficient. Typické kryštalické kremíkové články strácajú asi 0,3 až 0,5 percenta svojho výkonu na stupeň Celzia nad 25 stupňov. Správne vetranie a montáž, ktorá umožňuje prúdenie vzduchu za panelmi, môže pomôcť zmierniť tento efekt.
Cesta od slnečného svetla do zásuvky
Pokiaľ ide o typický domáci solárny elektrický systém viazaný na sieť, funguje to takto: Po prvé, slnečné svetlo dopadá na panely, ktoré vytvárajú elektrinu s jednosmerným prúdom. Prúd prichádza do meniča, ktorý ho premieňa na elektrinu striedavého prúdu. Striedač neustále sleduje parametre elektrickej siete, čo mu umožňuje dosiahnuť konzistentný frekvenčný a napäťový výstup. Potom sa elektrina odošle na hlavný panel domu, ktorý ju dodáva rôznym spotrebičom. Za zmienku stojí, že počas špičkových hodín výroby elektriny (kedy dochádza k najväčšiemu množstvu výroby solárnej energie) sa elektrina exportuje späť do siete vďaka vhodne fungujúcemu meraču, ktorý sa môže z hľadiska čistého merania otáčať opačným smerom. V noci je tento proces naopak takým spôsobom, že dom začne spotrebovávať energiu zo siete v normálnom zmysle, čo nevedie k ničomu inému, iba k pravidelnému otáčaniu merača dopredu.
Inteligentné systémy je možné použiť s inteligentnými riešeniami správy energie v dome, pretože umožňujú presun energeticky-spotrebičov s vysokou spotrebou (ako sú umývačky riadu a nabíjacie jednotky elektrických vozidiel) do momentov najväčšej solárnej výroby.
Záver
Systém solárnej energie je sofistikovaná integrácia fyziky polovodičov, výkonovej elektroniky, stavebného inžinierstva a softvérovej inteligencie. Od pohybu elektrónov v kremíku na kvantovej{1}}úrovni až po bezproblémovú synchronizáciu s rozvodnou sieťou, každý komponent pracuje v harmónii na premene hojného, bezplatného a čistého zdroja-slnečného svetla-na spoľahlivú-elektrinu na požiadanie, ktorá poháňa moderný život. Keďže toto odvetvie pokračuje v inováciách s-výkonnejšími článkami, inteligentnejšími invertormi a cenovo dostupnejšími riešeniami ukladania, základné princípy fungovania zostávajú založené na fotovoltaickom efekte, storočnom- objave, ktorý teraz pretvára globálne energetické prostredie. Pochopenie týchto princípov nie je len akademickým cvičením; je to základ, na ktorom sa buduje udržateľná energetická budúcnosť.
