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.

Иерархия от солнечных элементов к модулям, строкам и установкам

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.

Путь тока от солнечного модуля через инвертор в домашнюю сеть

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

Сравнение AC- и DC-связанных солнечных установок

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?

Суточный профиль выработки и потребления электроэнергии в домохозяйстве

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