Desde paneles fotovoltaicos hasta inversores: una explicación detallada de la composición de un sistema completo de generación de energía solar

En el contexto de la defensa global de la energía sostenible, la energía solar, como fuente de energía limpia y renovable, está ingresando gradualmente en nuestras vidas. Los sistemas de generación de energía solar han atraído cada vez más atención por su protección ambiental, ahorro de energía y muchas otras ventajas. Entonces, ¿cómo se compone un sistema completo de generación de energía solar? Comencemos con el componente más básico: los paneles fotovoltaicos.

Los paneles fotovoltaicos, también conocidos como paneles solares, son uno de los componentes centrales de los sistemas de generación de energía solar. Actúan como una "captura" eficiente responsable de convertir la luz solar en energía eléctrica. Su principio de trabajo se basa en el famoso "efecto fotovoltaico". Cuando la luz solar brilla en un panel fotovoltaico, los fotones interactúan con el material semiconductor en el panel fotovoltaico para estimular los pares de agujeros de electrones. Estos electrones y agujeros se mueven en diferentes direcciones bajo la acción del campo eléctrico dentro del material semiconductor, formando una corriente eléctrica.

Los paneles fotovoltaicos generalmente están compuestos por múltiples unidades de células solares. La mayoría de estas unidades celulares están hechas de materiales de silicio, de los cuales las células de silicio monocristalinas y las células de silicio policristalinas son las más comunes. Las células de silicio monocristalino tienen una alta eficiencia de conversión, que generalmente alcanza el 20% - 25%, lo que significa que puede convertir el 20% - 25% de la energía solar en energía eléctrica. Su proceso de fabricación es relativamente complejo y el costo es relativamente alto, pero tiene un rendimiento estable de generación de energía y una larga vida útil de hasta 25 - 30 años. La eficiencia de conversión de las células de silicio policristalino es ligeramente menor, aproximadamente el 15% - 20%, pero su costo de producción es relativamente bajo, y tiene ciertas ventajas de rentabilidad en aplicaciones a gran escala, y su vida útil también puede alcanzar aproximadamente 20 - 25 años.

Además del silicio monocristalino y las células de silicio policristalino, hay otros tipos de paneles fotovoltaicos como el silicio amorfo, el telururo de cadmio y el selenuro de cobre galio de indio. Los paneles fotovoltaicos de silicio amorfo tienen las ventajas de una buena flexibilidad y pueden convertirse en películas delgadas. A menudo se usan en algunas escenas con requisitos especiales para el espacio de apariencia o instalación, pero su eficiencia de conversión es relativamente baja, generalmente 6% - 12%. El telururo de cadmio y los paneles fotovoltaicos de selenuro de indio de cobre tienen un cierto potencial en la eficiencia y el costo de conversión, y se han desarrollado rápidamente en los últimos años, pero su participación en el mercado es aún menor que la de las paneles fotovoltaicos de silicio monocristalino y silicio policristalino.

La potencia generada por los paneles fotovoltaicos es DC, mientras que la mayoría de los electrodomésticos que usamos en nuestra vida diaria requieren que CA funcione correctamente. En este momento, el inversor juega un papel clave. Es como un "convertidor" mágico responsable de convertir la salida de CC de los paneles fotovoltaicos en AC para satisfacer las necesidades de energía de diferentes usuarios, como familias y empresas.

Hay muchos tipos de inversores, y los comunes son inversores centralizados, inversores de cuerdas y micro inversores. Los inversores centralizados tienen alta potencia y generalmente son adecuadas para grandes estaciones de energía solar. Recoge el DC generado por múltiples grupos de paneles fotovoltaicos y los convierte. La ventaja es que el costo es relativamente bajo y es fácil administrar y mantener centralmente, pero una vez que ocurre una falla, puede afectar el funcionamiento de todo el sistema de generación de energía. El inversor de cadena convierte DC a CA por separado para diferentes grupos de paneles fotovoltaicos, y luego agrega estos AC. Tiene mayor flexibilidad. Incluso si una cierta cadena tiene problemas, no afectará el funcionamiento normal de otras cadenas. Además, puede jugar mejor sus ventajas de rendimiento en los escenarios de instalación de paneles fotovoltaicos con blindaje parcial o orientaciones diferentes. Actualmente se usa ampliamente en proyectos de generación de energía fotovoltaica distribuida. El micro inversor se instala directamente en la parte posterior de cada panel fotovoltaico para convertir la salida de potencia de CC de cada panel fotovoltaico por separado. Su característica más importante es que puede realizar un monitoreo independiente y el seguimiento máximo de potencia de cada panel fotovoltaico. Incluso si un panel fotovoltaico está bloqueado o falla, otros paneles fotovoltaicos aún pueden funcionar normalmente, lo que mejora en gran medida la eficiencia y la estabilidad de la generación de energía de todo el sistema de generación de energía. Sin embargo, dado que cada micro inversor solo corresponde a un panel fotovoltaico, su costo es relativamente alto.

En el proceso de conversión de energía eléctrica, el inversor también tiene algunas otras funciones importantes. Por ejemplo, la función máxima de seguimiento de punto de potencia (MPPT) puede monitorear la potencia de salida del panel fotovoltaico en tiempo real y ajustar automáticamente los parámetros de trabajo para que el panel fotovoltaico siempre funcione cerca del punto de potencia máxima, mejorando así la eficiencia de la generación de energía. Además, el inversor también tiene funciones de protección de seguridad, como protección contra sobretensión, protección contra sobrecorriente y protección contra fugas para garantizar el funcionamiento estable del sistema de generación de energía y la seguridad del personal y el equipo.

Para que los paneles fotovoltaicos reciban mejor la luz solar, se necesita una estructura de soporte estable, que es el sistema de soporte. El sistema de soporte es como un "respaldo sólido" para paneles fotovoltaicos. No solo lleva el peso de los paneles fotovoltaicos en sí, sino que también resiste varios factores ambientales naturales, como el viento, la lluvia, la nieve, etc.

Los sistemas de soporte se pueden dividir en dos tipos: fijo y seguimiento. Los soportes fijos son fáciles de instalar y de bajo costo. Fijan paneles fotovoltaicos en el suelo, techo u otros edificios en un cierto ángulo y orientación. El ángulo de instalación de este soporte generalmente se optimiza de acuerdo con las condiciones locales de latitud y radiación solar para garantizar que los paneles fotovoltaicos puedan recibir suficiente luz solar durante la mayor parte del año. Los soportes de seguimiento son más inteligentes. Pueden ajustar automáticamente el ángulo de los paneles fotovoltaicos de acuerdo con los cambios en la posición del sol, de modo que los paneles fotovoltaicos siempre permanecen perpendiculares o casi perpendiculares a la luz solar, maximizando así la eficiencia de los paneles fotovoltaicos que reciben luz solar. Los soportes de seguimiento generalmente se dividen en dos tipos: seguimiento de un solo eje y seguimiento de doble eje. Los soportes de rastreo de un solo eje pueden girar a lo largo de un eje (generalmente el eje horizontal en la dirección este-oeste o el eje inclinado en la dirección norte-sur), mientras que los soportes de seguimiento de doble eje pueden girar simultáneamente en dos ejes, con una mayor precisión de seguimiento, pero costos relativamente más altos.

Al elegir un sistema de soporte, muchos factores deben considerarse de manera integral. Por ejemplo, la topografía del sitio de instalación, el área disponible, las condiciones climáticas locales y el presupuesto. Para pequeños proyectos de generación de energía fotovoltaica distribuida, como sistemas fotovoltaicos de la azotea domésticos, los soportes fijos generalmente se seleccionan debido a la sensibilidad limitada del área de instalación y la sensibilidad de costos. En las estaciones de alimentación fotovoltaica de gran tierra, si las condiciones del sitio lo permiten y se busca una mayor eficiencia de generación de energía, los soportes de seguimiento pueden ser una mejor opción.

En los sistemas de generación de energía solar, los paquetes de baterías juegan el papel de "almacén de almacenamiento" de energía eléctrica. Cuando hay suficiente luz solar, los usuarios pueden usar la electricidad generada por los paneles fotovoltaicos de inmediato, y el exceso de electricidad se puede almacenar en la batería. En el caso de la luz solar insuficiente por la noche o en los días nublados, la batería libera la electricidad almacenada para proporcionar a los usuarios una fuente de alimentación continua y estable.

Los tipos comunes de baterías incluyen baterías de plomo-ácido, baterías de hidruro de níquel-metal y baterías de iones de litio. Las baterías de plomo-ácido son una de las baterías de almacenamiento de energía más utilizadas. Tienen las ventajas de bajo costo, tecnología madura y fácil mantenimiento. Sin embargo, su densidad de energía es relativamente baja, su volumen y peso son grandes, y su vida útil del ciclo de carga y descarga es generalmente alrededor de 300-500 veces. El rendimiento de las baterías de hidruro de níquel-metal es mejor que el de las baterías de plomo-ácido. Tienen una mayor densidad de energía, una mayor vida del ciclo de carga y descarga (hasta aproximadamente 1, 000 veces), y son ecológicos, pero su costo también es relativamente alto. Las baterías de iones de litio tienen ventajas significativas, como alta densidad de energía, pequeño volumen, peso ligero, alta eficiencia de carga y descarga, y larga vida útil del ciclo (generalmente hasta 1, 500-3, 000 veces), pero su costo es relativamente alto en la actualidad. En algunos escenarios de aplicación sensibles a los costos, su promoción está sujeta a ciertas restricciones.

Al diseñar y configurar paquetes de baterías, es necesario considerar de manera integral factores como la demanda de energía real del sistema de generación de energía solar, la capacidad de generación de energía de los paneles fotovoltaicos y las condiciones de luz locales. Por ejemplo, es necesario determinar la capacidad de batería apropiada para garantizar que la demanda básica de electricidad de los usuarios pueda cumplirse en el caso de los días nublados continuos. Al mismo tiempo, también es necesario prestar atención al cargo y la gestión de descarga de la batería, adoptar una estrategia razonable de carga y descarga, extender la vida útil de la batería y reducir el costo del almacenamiento de energía.

El controlador es la "ama de llaves inteligente" del sistema de generación de energía solar. Es responsable de monitorear y controlar todo el sistema de generación de energía para garantizar la operación segura y estable del sistema. El controlador tiene principalmente las siguientes funciones importantes:

El primero es la función de control de carga y descarga. Puede monitorear el voltaje, la corriente y otros parámetros del grupo de batería en tiempo real, y controlar automáticamente el proceso de carga del panel fotovoltaico a la batería de acuerdo con el estado de carga de la batería y las condiciones de trabajo del sistema de generación de energía para evitar que la batería se sobrecargue o se descargue demasiado. Cuando la batería está completamente cargada, el controlador cortará automáticamente el circuito de carga para evitar daños a la batería causado por sobrecarga; Y cuando la energía de la batería es demasiado baja, el controlador controlará para dejar de descargar para proteger la vida útil de la batería.

El segundo es la función de control de seguimiento de punto máximo de potencia. El controlador puede ajustar el estado de trabajo del panel fotovoltaico en tiempo real trabajando en conjunto con el inversor, de modo que siempre se ejecuta cerca del punto máximo de potencia, mejorando así la eficiencia de generación de energía del panel fotovoltaico.

Además, el controlador también tiene funciones de diagnóstico de fallas y protección del sistema. Puede monitorear cada componente en el sistema de generación de energía en tiempo real. Una vez que se detecta una falla, como un cortocircuito en el panel fotovoltaico, sobrecalentamiento del inversor, fugas de la batería, etc., el controlador tomará inmediatamente las medidas de protección correspondientes, como cortar el circuito de falla y emitir una señal de alarma, para garantizar la operación segura de todo el sistema de generación de energía y facilitará la persona de mantenimiento a la solución de la solución y reparación de una manera temporal.

Los controladores utilizados en los sistemas de generación de energía solar de diferentes tipos y tamaños también son diferentes. En los pequeños sistemas de generación de energía solar, generalmente se usa un controlador integrado relativamente simple. Integra funciones básicas como el control de carga y descarga y el máximo control de seguimiento de punto de potencia. Es pequeño en tamaño y bajo costo, y es adecuado para pequeños escenarios de aplicación, como los sistemas fotovoltaicos en la azotea del hogar. En las grandes estaciones de energía solar, se requiere un controlador centralizado más potente e inteligente. Puede monitorear y administrar uniformemente muchos paneles fotovoltaicos, inversores, paquetes de baterías y otros equipos en toda la central eléctrica para lograr un control del sistema más eficiente y preciso.

Un sistema completo de generación de energía solar consta de múltiples componentes, como paneles fotovoltaicos, inversores, sistemas de soporte, paquetes de baterías y controladores que trabajan juntos. Cada componente juega un papel indispensable. Trabajan juntos para convertir la energía solar en electricidad que podemos usar, contribuyendo a la realización del desarrollo de energía sostenible. Con el avance continuo de la tecnología y la reducción gradual de los costos, las perspectivas de aplicación de los sistemas de generación de energía solar serán más amplias y se espera que ocupen una posición más importante en el campo de energía futuro.