На этой странице
Устройство солнечной электростанции: от модуля до подключения
Введение: от солнечного модуля к солнечной установке
Термин «солнечная установка» охватывает как фотоэлектрические установки, так и солнечные тепловые установки. Фотоэлектрические или сокращенно PV-установки преобразуют солнечные лучи в электрическую энергию, тогда как солнечные тепловые установки вырабатывают тепловую энергию. В этой статье мы сосредоточимся на PV-установках.
После того как в предыдущей статье От фотона к вольту: как работает солнечный элемент? мы узнали, как работает отдельный солнечный элемент, теперь рассмотрим общую картину: как из отдельных элементов создается полноценная солнечная установка?
От элемента к ферме
Иерархия фотоэлектрической установки четко структурирована:
- Солнечный элемент → Модуль: Несколько элементов соединяются электрически и механически в раме
- Модуль → Строка: Модули соединяются последовательно для достижения необходимого напряжения для инвертора
- Строка → Установка: Несколько строк подают питание на один или несколько инверторов
- Установка → Ферма: Множество установок вместе образуют солнечный парк
Даже один солнечный модуль или строка могут считаться полноценной солнечной установкой — например, в случае балконной PV-установки.
Однако расположение солнечных элементов и модулей — это только половина дела. Для полноценной установки также необходимы:
- Крепления и монтажные системы
- Кабели и соединительные коробки
- Силовая электроника (инверторы, MPPT)
- Опционально: аккумуляторные батареи
- Счетчики электроэнергии и системы мониторинга
Монтаж и установка
Солнечные модули могут быть установлены в различных местах:
Частные применения
- Крыши домов (скатные или плоские)
- Гаражи и навесы
- Балконные установки
- Фасады
Коммерческие и промышленные применения
- Заводские здания и офисы
- Установки на открытых площадках (солнечные парки)
- Агро-PV (в сочетании с сельским хозяйством)
Типы установок
Фиксированная установка:
- Модули неподвижно установлены на крышах или открытых площадках
- Геометрически привязаны к зданию или креплениям
- Простая, недорогая, малотребовательная в обслуживании
- Стандартное решение для большинства применений
Установка с трекером:
- Модули следуют за движением солнца в течение дня
- Движение осуществляется электромоторами или гидравликой
- Возможное увеличение выработки на 15–35%
- Более высокие затраты и требования к обслуживанию
- Экономически оправдано в основном для крупных установок
Для всех типов установок: прочность, ветровая нагрузка и, в случае зданий, статическая прочность крыши определяют выбор крепления.
Путь тока: от модуля до розетки
Путь солнечного тока можно разделить на пять основных этапов:
1. Генерация постоянного тока
Солнечные модули преобразуют солнечный свет в постоянный ток (DC). Напряжение, которое они генерируют, зависит от количества последовательно соединенных элементов.
2. MPPT и оптимизация DC
Трекер максимальной мощности (MPPT) постоянно регулирует рабочее напряжение, чтобы извлечь максимальную мощность из модулей. Это особенно важно при изменении облачности или частичном затенении.
3. Преобразование в переменный ток
Инвертор преобразует постоянный ток в сетевой переменный ток:
- 230 В однофазный для небольших установок
- 400 В трехфазный для более крупных установок
4. Подача или потребление
Переменный ток поступает либо к бытовым потребителям, в аккумуляторную батарею, либо в общественную сеть.
5. Измерение и учет
Счетчики электроэнергии фиксируют потребление и подачу для учета и управления энергией.
Интеграция батареи: AC- и DC-связь
Солнечные установки с установленной батареей имеют энергетический буфер. С помощью интеллектуальной зарядной электроники ток может храниться по мере необходимости. Облачные дни перекрываются, солнечные дни используются для зарядки.
AC-связанные системы
- Инвертор расположен непосредственно за модулями
- Батарея заряжается и разряжается переменным током (AC)
- Необходима дополнительная AC/DC-преобразование для батареи
- Простая модернизация существующих установок
- Несколько меньшая общая эффективность из-за двойного преобразования
Преимущества: Гибкость в установке, независимость от PV-инвертора, простая модернизация
DC-связанные системы
- Батарея подключена непосредственно к DC-пути солнечных модулей
- Зарядка и разрядка без промежуточного AC-преобразования
- Преобразование в AC только для домашней сети
- Более высокая общая эффективность
Преимущества: Меньше потерь при преобразовании, лучшая эффективность при собственном потреблении
Измерение тока и типы счетчиков
Для связи между солнечной установкой, батареей и сетью требуется комплексное управление установкой. Основой являются данные измерений счетчиков электроэнергии.
Однонаправленные счетчики
Измеряют ток только в одном направлении:
- Счетчик потребления: Ток от сети к дому
- Счетчик подачи: Ток от PV-установки в сеть
- Счетчик выработки: Общая выработка электроэнергии установкой
Двунаправленные счетчики
Фиксируют потребление и подачу параллельно в одном устройстве. Объединяют функции счетчика потребления и подачи.
Умные счетчики
Самая современная версия:
- Цифровое измерение и связь
- Возможна передача данных в реальном времени
- Основа для управления энергией и переменных тарифов
- Связь через шлюз умного счетчика
Профили нагрузки и степень автономности
Суточные профили в домохозяйстве сильно колеблются:
- Утром: Низкое потребление (люди на работе), низкая выработка (низкое положение солнца)
- В полдень: Низкая нагрузка, максимальная солнечная выработка → зарядка батареи
- Вечером: Высокое потребление (готовка, ТВ, отопление), нет выработки → разрядка батареи
Для достижения высокой степени автономности должны совпадать три фактора:
- Выработка (кВтп): Сколько может максимально вырабатывать установка?
- Хранение (кВтч): Сколько энергии может быть накоплено?
- Потребление (кВтч/год): Сколько электроэнергии требуется домохозяйству?
Заключение: Как ток поступает в розетку
Краткое содержание: Солнечная установка на первый взгляд кажется простой, но множество технических деталей показывают ее сложность. Солнечный элемент генерирует постоянный ток, MPPT оптимизирует напряжение для максимальной мощности, и в зависимости от концепции установки ток поступает в батарею и/или инвертор. Счетчики фиксируют все потоки для управления и учета, прежде чем переменный ток поступает в розетку или в общественную сеть.
Далее: AC/DC в PV: инверторы и преобразование тока