Автономни фотоволтаични системи

ВЕИ енергетикaТехнически статииСп. Енерджи ревю - брой 6, 2011

Aвтономните фотоволтаични системи обикновено се използват в места без достъп до централната електроенергийна мрежа или за самостоятелно захранване на различни устройства - маломощни предаватели за телекомуникационната индустрия, улични лампи, помпи за вода, преносими уреди и други. Най-често този тип системи са с инсталирана мощност до няколко десетки kWp. В типичната автономна фотоволтаична система DC електричеството, произвеждано от модулите, се използва непосредствено след това или се съхранява в акумулаторни батерии. Ако се захранват DC уреди от системата, те обикновено са свързани към батерията чрез предпазител. За захранване на АС уреди се използва директно свързан с акумулаторната батерия инвертор. Съществуват и системи, в които постоянният ток се използва директно без батерии, например за захранване на помпени станции.

Базови елементи на автономните системи

Основнитe елементи на автономните системи са фотоволтаични панели, контролер, акумулаторна батерия и инвертор. Фотоволтаичните модули трябва да съответстват на DC напрежението, определено от батерията. Системното напрежение обикновено е 12 VDC или 24 VDC, а при по-големите системи - 48 VDC. Работното напрежение трябва да е достатъчно високо, за да зарежда батериите. От фотоволтаичния модул се очаква да достави това напрежение на батерията след загубите в кабелите, в контролерите за зареждане и диодите и често при условия, в които слънчевите клетки работят при много високи температури.

Оптималната работа на фотоволтаичните панели се подсигурява от контролера, който поддържа работната им точка винаги в зоната на максимална мощност. Също така в немалък брой приложения контролерът осигурява и оптимален режим на заряд на акумулаторната батерия. Нейното предназначение е да акумулира излишната енергия, генерирана от фотоволтаиците през светлата част на денонощието, и да я отдава през нощта, поддържайки непрекъснато електрозахранването на консуматорите. Известно е, че към постояннотоковите шини биха могли да се свържат директно постояннотокови консуматори. Такива са някои видове осветители, телевизори, радиоапарати, хладилници и др.

Задачата на инвертора е да преобразува постоянното напрежение в променливо с промишлена честота, което позволява директно захранване на всички консуматори стандартно изпълнение. Разбира се, възможно е системата да бъде ограничена само до постояннотоковата си част, без инвертор и възможност за захранване на променливотокови консуматори. Такова е изпълнението на най-маломощните инсталации, например системи, предназначени за захранване на преносимо оборудване като светещи табели, временни осветители и др. Автономните фотоволтаични системи (АФС) без инвертор, напълно логично, са и най-евтините. Използването на инвертор дава възможност автономната фотоволтаична инсталация да осигури енергия с показатели, идентични с тези на централното електроснабдяване. Качеството на електроенергията е на приемливо ниво както по честота, така и по ниво.

Специфики на контролерите

Сред основните функции, възлагани на контролерите в автономните фотоволтаични системи, са защитаването на батерията от прекалено разреждане или презареждане. При изпълнението им се използват релета за ниско и високо напрежение, като в първия случай релето изключва товарите от батерията, когато напрежението на батерията спадне до стойност, показателна за достигането на определена дълбочина на разряд на батерията, а във втория - ограничава напрежението на заряда. Контролерите имат и други важни функции - предотвратяват обратния ток във фотоволтаичните модули през нощта, защитават системата от претоварване и късо съединение. Някои от предлаганите модели имат ръчно настройваеми режими на зареждане, предназначени за различните видове батерии и възможност за работа в режим на дозареждане на електролитните клетки. Повечето се предлагат с вградена защита от пренапрежение.

Някои контролери за зареждане включват и устройства за проследяване на максималната работна точка, което значително повишава производителността на фотоволтаичните панели и оптимизира тяхната работа.

Характеристики на инверторите в АФС

Инверторите, които се използват в автономните системи са доста по-различни от тези при мрежовите системи. Номиналната им мощност трябва да бъде достатъчна за захранване на всички АС уреди, включени едновременно. Също така, инверторите трябва да могат да осигуряват постоянно достатъчна мощност за захранване на всички уреди и при необходимост да могат да захранят уреди, нуждаещи се от по-голям пусков ток. Инверторите в автономните фотоволтаични системи е необходимо да отговарят на изискванията за надеждност и висока ефективност при пълно и частично натоварване. Освен това, от тях се очаква да имат малко потребление на енергия в режим на готовност и да не създават значителни електромагнитни смущения. Формата на напрежението, което произвеждат инверторите, е за предпочитане да бъде чиста синусоида. Сред останалите им характеристики са стабилно АС напрежение и обхват по входно напрежение, съобразен с напрежението на заряд на батерията.

В случай че се използва повече от един инвертор в дадена система, за всеки от тях трябва да е осигурен отделен токов кръг. Свързването на АС изхода на един инвертор към АС изхода на друг може да повреди и двата уреда. Съществуват и съвременни модели инвертори, специално разработени за паралелна и синхронна работа един с друг в режим главен-подчинен инвертор. Тази схема на работа дава по-голяма енергийна сигурност, а при по-големите системи дори може да се повиши ефективността, като се избегне работата на двата инвертора едновременно при частични натоварвания. Главният инвертор обикновено захранва всички товари, докато подчиненият се включва само при необходимост.

На пазара се предлагат и инвертори, които обединяват и други компоненти на автономните фотоволтаични системи като контролер за зареждане, зарядно за батерии и контролер за разпределение на товарите. Зарядните инвертори обединяват инвертор и зарядно устройство за батерия. Използват се във фотоволтаични или хибридни системи при наличие на допълнителен източник на АС енергия - дизелов генератор или мрежа. Освен да работят като зарядно за батерия и като инвертор, този тип устройства могат да служат и като непрекъсваеми токозахранващи устройства, свързани директно едно с друго и с мрежата.

Сред функционалните характеристики на някои инвертори от утвърдени производители е възможността за дистанционно наблюдение на работата на инсталацията и нейната производителност. Освен интерфейс за дистанционна комуникация, тези инвертори могат да включват и устройства за съхранение и запис на информацията. Сред наблюдаваните показатели са работата на системата в реално време, нейната дневна производителност, неизправности в някой от компонентите и т. н. Чрез модем може да се осъществи безжичен пренос на данни. Сред останалите варианти за комуникация са радиовълните или комуникация по захранващите кабели, при която данните се предават по стандартната АС инсталация.

Съществува вероятност комуникацията да окаже негативно въздействие върху работата на останалите електрически устройства, затова специалистите препоръчват извършването на периодични проверки или инсталирането на отделен информационен кабел, за да се предотвратят смущения.

Акумулаторната батерия

Батерията в АФС служи за акумулиране и съхраняване на получената и преобразувана в електрическа слънчева енергия от PV модулите и използването й през тъмната част от денонощието. Акумулаторните батерии в соларните системи е необходимо да притежават възможност за дълготраен живот при условия на ежедневно зареждане и разреждане, т. е. пълни (дълбоки) цикли “разряд-заряд”. Като вид обикновено са оловно-киселинни. Според конструкцията си се разделят на залети и затворени. В залетите батерийни клетки има течен електролит, който системно трябва да бъде допълван с дейонизирана вода. Затворените клетки обикновено съ-държат електролит под формата на гел или включват метод за рекомбиниране на водород и кислород и нямат нужда от допълване.

В идеалния случай батериите се зареждат на три етапа. В първия от тях батерията получава най-голям заряд. Следва абсорбиращ заряд, когато батерията се зарежда при постоянно напрежение, но при намален ток, за да се завърши процесът на зареждане. Последната фаза е допълващ заряд, в която батерията просто се поддържа заредена.

Специалистите съветват да не се допуска пълно разреждане на батериите. Максимално допустимата дълбочина на разряд е 80%. За залети батерии с дълбок цикъл препоръчителната дълбочина на разряд е 50%. Ако батерията редовно се разрежда само до 20%, тя би имала още по-дълъг живот. Степента на саморазреждане на батериите във фотоволтаичните системи е около 3% на месец.

Електрическият капацитет на батериите, измерван в амперчас (Ah), се влияе от тока и температурата, при които се разрежда. При ниски температури, капацитетът значително намалява - по правило с 1% за всеки температурен градус. Температури под 0 оС могат да повредят оловно-киселинните батерии, тъй като при тези стойности има вероятност електролитът да замръзне. Твърде високите температури също оказват негативно въздействие върху батериите.

Важен фактор при избора на батерия за конкретното приложение е нейната Ah ефективност, която се определя от отношението между броя амперчасове към и от батерията (втората стойност винаги е по-малка). При новите батерии тази стойност е около 90% при идеални режими на зареждане и подходящи температурни условия. В реални условия за добър показател се приема и 75% Ah ефективност.

Компоненти за защита на автономните PV системи

Вследствие попадението на мълния в автономните фотоволтаични системи могат да възникнат атмосферни и комутационни пренапрежения и да предизвикат сериозни повреди на PV модулите и инверторите. Дори и попадението да не е директно, а на разстояние 2000 м от централата, то може да индуцира атмосферни пренапрежения и да предизвика повреди в електронните компоненти. Контролерите за зареждане осигуряват минимално ниво на защита от пренапрежение като например варистори за защита от индуцирано пренапрежение. Поради тази причина, специалистите препоръчват изграждането на мълниезащитна уредба с мълниеприемници с изпреварващо действие или с конвенционална мълниезащита.

Всички чувствителни елементи във фотоволтаичната централа трябва да се предпазят от атмосферни и комутационни пренапрежения. При защитата на инвертора от пренапрежение, от двете му страни (откъм постояннотоковата част и от тази на променливотоковата) се монтират защитни устройства. Изборът на тип защитно устройство зависи от наличието на външна мълниезащитна уредба; вида й (изолирана или неизолирана); разстоянието между главното разпределително табло и инвертора; разстоянието между фотоволтаичните панели и инвертора. Така например, при фотоволтаични системи без външна мълниезащитна уредба е необходимо да се монтират два комплекта защитни устройства - един след инвертора и друг - в разпределителното табло, ако разстоянието между главното разпределително табло (АC) или панелите и инвертора е по-голямо от 10 м. В случай че конструкцията се изгражда на място със съществуваща външна мълниезащитна уредба (напр. покрив), фотоволтаичната система се инсталира в нейната защитна зона, за да се осигури защитата й от директно попадение на мълния. Модулите, поставени на покриви или върху свързани със сградата стълбове, не трябва да са разположени по-високо от най-високата част на сградата. Металната рамка на модула, поставен над последното ниво на сградата, може да работи като мълниеприемник.

В райони с чести бури или при системи с повече от два модула е добре да се инсталира двуполюсен прекъсвач/ разединител между фотоволтаичната група и контролера за зареждане, така че фотоволтаичната група да може да се изолира от останалата част от системата, когато има риск от попадение на мълния. Ако съществуващата мълниезащита не може да предпазва фотоволтаичната централа, се добавя допълнителна мълниезащитна система, която в последствие се свързва с първата. При всички положения е добре да се направи предварителна оценка на риска и резултатите да се вземат предвид при проектирането на системата.

Носещи конструкции за АФС

Ефективната експлоатация на автономните фотоволтаични системи зависи не само от коректното функциониране на електронните им компоненти, но и от надеждната носеща конструкция. Тя осигурява оптимален ъгъл на панелите, гарантиращ максимална производителност. С оглед на възможностите за интеграция на фотоволтаичните панели във фасадата на сградата, както и поставянето им върху плоски, наклонени покриви и земни терени, се предлагат няколко основни вида конструкции.

Поддържащите конструкции за монтаж на фотоволтаични панели върху хоризонтални покриви най-често се изработват от алуминий или неръждаема стомана. Монтират се успоредно на покрива или под ъгъл спрямо неговата равнина, като носещите профили се разполагат хоризонтално или вертикално. Обикновено системата се състои от един базисен профил, перпендикулярен на носещия. Базисният профил може да бъде закрепен по различни начини към покрива - чрез винтови адаптери, поставяне на тежести и др. При инсталацията той се съединява с триъгълен профил, върху който се монтират напречните носещи профили за соларния панел. Често използван технически похват при монтажа на фотоволтаични панели на плоски покриви е и поставянето им върху т. нар. вани. Те са предназначени за основа на единични модули и се изработват от полиетилен или друг материал в определени размери.

При системите за монтаж върху наклонени покриви обикновено има два носещи напречни профила. Напречните профили се свързват към покрива чрез специални S-образни елементи, шини и покривни анкери. Модулите се закрепват към профилите със средни и крайни клеми. Често панелите се монтират надлъжно, но е възможен и напречен монтаж. Предлагат се във варианти за керемидени, ламаринени, етернитови, битумни и други покриви.

Освен да бъдат поставени върху повърхността на покрива, слънчевите колектори могат и да заместват част от покривната конструкция. Обикновено се поставят на тази част от покрива, която е с южно изложение. Закрепват се с шина в покривната конструкция. При остъклените покриви могат да се използват вградени в стъклопакетите моно- или поликристални фотоволтаични клетки, както и тънкослойни панели, което позволява едновременното производство на електричество и осигуряването на осветеност на прилежащите помещения.

Фасадата е друго възможно място за интегриране на фотоволтаични елементи. При нея готовите моно- и поликристални фотоволтаични модули могат да бъдат използвани като основна или допълнителна външна облицовка, която осигурява дълготрайна термо- и звукоизолация, устойчива на атмосферните влияния и подобряваща външния вид на сградата.

При инсталацията на фотоволтаичните панели на нивото на земята се използват статични и активно следящи траекторията на слънцето носещи конструкции. От своя страна, статичните конструкции се разделят на няколко вида в зависимост от използваните материали и начина за монтаж на съоръженията. Те могат да бъдат алуминиеви или стоманени пилони директно набити в земята или положени в бетонов фундамент. Използват се и стоманени винтове с конусообразно тяло за закрепване на конструкциите към земната основа. Поставят се с помощта на специални машини, които ги навиват с голяма точност. Сред предимствата им производителите посочват лесния монтаж, който спестява време, разходи и елиминира нуждата от изкопни работи и изливане на основи.

Активно следящите системи притежават вграден механизъм за проследяване траекторията на слънцето. Познати са като тракери или позиционери. Съществуват различни модификации на конструкцията им, но като цяло са изработени от стабилна основа с неподвижни стоманени елементи, комплектована с подвижни стоманени и алуминиеви профили чрез болтови съединения и шарнирни връзки. Част от съоръжението са и електродвигателят, който осъществява задвижването на системата и електронният управляващ модул, който контролира движението на всички тракери. На стойката се монтират два, три или повече фотоволтаични панела. Следенето на слънцето се реализира на базата на радиационни датчици или чрез контролер, конфигуриран за конкретното географско местоположение на всеки тракер. Предлагат се едноосни и двуосни тракери, които осигуряват вертикално или едновременно хоризонтално и вертикално насочване на модулната повърхност. Това дава възможност да се получи съответната оптимална позиция спрямо местоположението на слънцето и по този начин да се повиши ефективността на модулите.


Top