เหนือความเชื่อ: ความน่าเชื่อถือของพลังงานแสงอาทิตย์และบทบาทการรักษาเสถียรภาพในระบบโครงข่ายไฟฟ้าสมัยใหม่

เป็นเวลาหลายทศวรรษแล้วที่ภูมิปัญญาดั้งเดิมในภาคพลังงานถือว่าแหล่งพลังงานหมุนเวียน-โดยเฉพาะอย่างยิ่งพลังงานแสงอาทิตย์-นั้นมีไม่ต่อเนื่องและไม่น่าเชื่อถือที่จะทำหน้าที่เป็นแกนหลักสำหรับระบบไฟฟ้าสมัยใหม่ ความเข้าใจผิดที่เกิดขึ้นอย่างต่อเนื่องคือแผงโซลาร์เซลล์เสื่อมสภาพอย่างรวดเร็ว ล้มเหลวภายใต้ความเครียด และที่แย่กว่านั้นคือทำให้เกิดความสับสนวุ่นวายในการเปลี่ยนแปลงอุปสงค์และอุปทานที่สมดุลอย่างประณีตในระบบโครงข่ายไฟฟ้า นักวิจารณ์มักแย้งว่าพลังงานแสงอาทิตย์ไม่เพียงแต่ไม่แน่นอนเท่านั้น แต่ยังเป็นภัยคุกคามต่อเสถียรภาพของโครงข่ายไฟฟ้าอีกด้วย ซึ่งสามารถทำให้เกิดความผันผวนของแรงดันไฟฟ้าและไฟดับได้

อย่างไรก็ตาม มุมมองนี้ล้าสมัยมากขึ้น จากข้อมูลการดำเนินงานหลายทศวรรษ ความก้าวหน้าทางอิเล็กทรอนิกส์กำลัง และประสบการณ์-การรวมกริดของโลกที่แท้จริง ทำให้ได้ภาพที่แตกต่างออกไปมาก: เทคโนโลยีพลังงานแสงอาทิตย์ได้รับการพิสูจน์แล้วว่ามีความน่าเชื่อถือเป็นพิเศษ และเมื่อใช้งานอย่างรอบคอบ จะช่วยเพิ่มความยืดหยุ่นและความเสถียรของกริดอย่างจริงจัง บทความนี้มีจุดมุ่งหมายเพื่อทำความเข้าใจความเป็นจริงทางเทคนิคเบื้องหลังความน่าเชื่อถือของพลังงานแสงอาทิตย์และอิทธิพลเชิงบวกต่อระบบไฟฟ้า

ความคิดแรกของบางคนเกี่ยวกับแผงโซลาร์เซลล์คือไม่น่าเชื่อถือ แต่จริงๆ แล้ว มันไม่ใช่อย่างนั้นอีกต่อไปแล้ว! แผงเซลล์แสงอาทิตย์ส่วนใหญ่ในปัจจุบันมีความน่าเชื่อถือมากขึ้น แข็งแกร่งกว่าที่เคยเป็นมา และต้องการการดำเนินการบำรุงรักษาจากคุณน้อยกว่าการผลิตพลังงานรูปแบบก่อนหน้ามาก แผงโซลาร์เซลล์ไม่มีชิ้นส่วนที่หมุนได้ ซึ่งต่างจากเครื่องยนต์กังหันแก๊สและเครื่องยนต์ดีเซล (ซึ่งมีเครื่องจักรที่หมุนได้) ซึ่งหมายความว่าไม่มีพื้นที่สำหรับการสึกหรอ การฉีกขาด และ/หรือการหล่อลื่น ส่วนประกอบหลักในแผงโซลาร์เซลล์ที่เรียกว่า 'หัวต่อเซมิคอนดักเตอร์' ได้รับการสร้างขึ้นโดยใช้เทคโนโลยีซิลิคอนที่ได้รับการพิสูจน์แล้ว ซึ่งประสบความสำเร็จในการใช้งานในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์มานานกว่า 50 ปี และได้พิสูจน์ตัวเองแล้วว่าเชื่อถือได้อย่างแน่นอน!

ในการศึกษา-การประเมินสิ่งแวดล้อมในระยะยาว เช่น ที่ดำเนินการโดยห้องปฏิบัติการพลังงานทดแทนแห่งชาติของสหรัฐอเมริกา (NREL) การศึกษาระบุว่าโมดูล PV คุณภาพสูงเผชิญกับการย่อยสลายต่อปีในเอาต์พุตที่ได้รับการจัดอันดับน้อยกว่า 0.5% ต่อปี ระบบจำนวนมากที่ติดตั้งในช่วงทศวรรษปี 1980 และ 1990 ปัจจุบันผลิตได้ 80% หรือมากกว่าของเอาต์พุตที่ได้รับการจัดอันดับเริ่มแรกหลังจากใช้งานมานานกว่า 30 ปี ผู้ผลิตโมดูล PV ส่วนใหญ่ให้การรับประกันสำหรับโมดูล PV เป็นระยะเวลาขั้นต่ำ 25 ปี; อย่างไรก็ตาม โมดูลต่างๆ มีแนวโน้มที่จะยังคงใช้งานได้นานหลังจากวันที่นี้ แม้ว่าความล้มเหลวจะเกิดขึ้นโดยประมาณจากปัจจัยภายนอก (เช่น การติดตั้งที่ไม่เหมาะสม สภาพอากาศที่รุนแรง) อัตราความล้มเหลวโดยธรรมชาติของโมดูล PV ต่ำกว่า 0.05% ต่อปี-อัตราความล้มเหลวของเทคโนโลยีการผลิตไฟฟ้าอื่นๆ ส่วนใหญ่ ซึ่งรวมถึงส่วนประกอบจำนวนมากในโรงไฟฟ้าที่ใช้เชื้อเพลิงฟอสซิล-เท่ากับหรือต่ำกว่าอัตราความล้มเหลวของโมดูล PV ทำให้พลังงานแสงอาทิตย์เป็นตัวเลือกฮาร์ดแวร์ที่ค่อนข้างเชื่อถือได้

 

ตำนานทางเทคนิคประการที่สองคือพลังงานแสงอาทิตย์ "ทำลาย" เสถียรภาพของโครงข่ายไฟฟ้า ความกังวลนี้ในอดีตเกิดขึ้นจากอินเวอร์เตอร์ที่ผูกกับกริด-ในยุคแรกๆ ซึ่งได้รับการออกแบบมาเพื่อส่งพลังงานเข้าไปในโครงข่ายให้มากที่สุดเท่าที่จะทำได้ และตัดการเชื่อมต่อทันทีหากมีการรบกวนเกิดขึ้น แม้ว่าในทางทฤษฎีแล้วพฤติกรรมเชิงรับนี้สามารถลดความเฉื่อยของระบบได้ แต่ก็ไม่ใช่บรรทัดฐานอีกต่อไป

กริดในปัจจุบัน-ที่สนับสนุนอินเวอร์เตอร์-ที่มักเรียกว่า "อินเวอร์เตอร์อัจฉริยะ" หรือ "กริด-อินเวอร์เตอร์ที่ขึ้นรูป"-เป็นตัวเปลี่ยนเกม- พวกเขารวมฟังก์ชันการควบคุมขั้นสูงที่ส่งผลต่อความสมบูรณ์ของกริด คุณสมบัติที่สำคัญ ได้แก่ :

การควบคุมแรงดันและความถี่:อินเวอร์เตอร์อัจฉริยะสามารถแก้ไขความเบี่ยงเบนของแรงดันไฟฟ้าและความถี่ได้ เช่นเดียวกับเครื่องกำเนิดไฟฟ้าแบบซิงโครนัส AVR ปกติ โดยการปรับกำลังเอาท์พุตจริงและรีแอกทีฟในหน่วยมิลลิวินาที

ขี่-ผ่านความสามารถ:อินเวอร์เตอร์รุ่นใหม่มีความสามารถในการ-ขับเคลื่อนผ่านเพื่อให้สามารถรองรับกริดต่อไปได้ในช่วงเวลาที่เกิดข้อผิดพลาดอันสั้น (เช่น หากเกิดฟ้าผ่าหรือกิ่งไม้ล้มบนสายไฟ) และ-ฉีดพลังงานกลับเข้าไปในกริดทันทีที่ข้อบกพร่องได้รับการแก้ไข

ความเฉื่อยสังเคราะห์:พลังงานแสงอาทิตย์ไม่มีมวลการหมุนทางกายภาพของกังหันไอน้ำ แต่อินเวอร์เตอร์ขั้นสูงมีความสามารถในการดึงและจ่ายพลังงานที่ความเร็วสูงเพื่อจำลองความเฉื่อยเมื่อความถี่มีการเปลี่ยนแปลง ความเฉื่อยสังเคราะห์นี้ช่วยให้เครื่องกำเนิดไฟฟ้าทั่วไปมีเวลาเป็นมิลลิวินาทีอันมีค่าในการเร่งความเร็วจนถึงเอาต์พุตสูงสุด

คุณลักษณะเหล่านี้ไม่ได้ทำให้โครงข่ายไม่เสถียรแต่อย่างใด ช่วยให้โซนแสงอาทิตย์ที่มีการเจาะทะลุสูง-สามารถทำงานได้อย่างยืดหยุ่นมากขึ้น ตัวอย่างเช่น ในรัฐเซาท์ออสเตรเลีย-ภูมิภาคที่มีอินเวอร์เตอร์-กริด-ที่ขึ้นรูปเป็นกริดหมุนเวียนพลังงานหมุนเวียนได้มากกว่า 60% ประสบความสำเร็จในการเริ่มต้น-เครือข่ายท้องถิ่นสีดำหลังจากการแยกระบบครั้งใหญ่ ซึ่งก่อนหน้านี้ทำได้เฉพาะกับโรงไฟฟ้าพลังน้ำหรือก๊าซเท่านั้น

การผลิตพลังงานแสงอาทิตย์แบบกระจายช่วยลดความเครียดในสายส่งที่มีอยู่ เนื่องจากผลิตได้ใกล้กับจุดใช้งานมากกว่าไฟฟ้าแบบกริด{0}}แบบดั้งเดิม การผลิตพลังงานไฟฟ้าแบบดั้งเดิมอาศัยสถานีผลิตไฟฟ้าขนาดใหญ่ที่ผลิตกระแสไฟฟ้า ซึ่งจากนั้นจะถูกขนส่งเป็นระยะทางหลายร้อยกิโลเมตรผ่านสายส่งไฟฟ้าแรงสูง เพื่อนำไปใช้ในที่ที่จำเป็นในที่สุด แบบจำลองนี้ (ฮับ-และ-ซี่ล้อ) ช่วยให้สูญเสียระหว่าง 8 - 10% ของการผลิตกำลังดั้งเดิม และสร้างจุดล้มเหลวเพียงจุดเดียว ตัวอย่างเช่น เมื่อเสาส่งสัญญาณหรือหอคอยตกลงมา อาจเกิดไฟดับขนาดใหญ่อันเป็นผลมาจากการออกแบบทั่วไปของฮับ-และ-โครงข่ายแบบซี่ลวด

ด้วยการสร้างกระแสไฟฟ้าที่กักเก็บหรือสร้างขึ้น โดยการใช้พลังงานแสงอาทิตย์แบบกระจายใกล้กับจุดที่มีการใช้ ปริมาณไฟฟ้าที่ขนส่งจากสถานีย่อยไปยังจุดผู้บริโภคจะลดลง ซึ่งหมายความว่าความต้องการพลังงานไฟฟ้าของผู้บริโภคลดลงจากสิ่งที่แสดงในปัจจุบันโดยใช้กริดแบบดั้งเดิม ความต้องการที่ลดลงนี้จะชะลอหรืออาจขจัดความจำเป็นในการอัพเกรดระบบส่งและจัดจำหน่ายที่มีค่าใช้จ่ายสูง นอกจากนี้ ในช่วงที่เกิดไฟป่า พายุเฮอริเคน และ/หรือการโจมตีทางไซเบอร์ จะมีศูนย์กักเก็บพลังงานแสงอาทิตย์+กระจายอยู่จำนวนหนึ่ง ซึ่งจะสามารถสร้างไมโครกริดเพื่ออย่างน้อยในบางส่วนยังคงจ่ายไฟให้กับสิ่งอำนวยความสะดวกหลักๆ (เช่น การบำบัดน้ำและโรงพยาบาล) ในขณะที่โครงข่ายไฟฟ้าส่วนกลางโดยรวมพยายามที่จะฟื้นฟูตัวเอง นี่คือสิ่งที่เราเรียกว่าความยืดหยุ่นของกริด

นานมาแล้วผู้คนคิดว่าเทคโนโลยีพลังงานแสงอาทิตย์ไม่น่าเชื่อถือและอาจทำลายระบบกริดได้ ปัจจุบันมีประวัติศาสตร์การดำเนินงานนานหลายทศวรรษที่แสดงให้เห็นว่าโมดูลเซลล์แสงอาทิตย์ (PV) เป็นส่วนประกอบที่เชื่อถือได้และทนทาน ดังนั้นจึงมีการบำรุงรักษาเพียงเล็กน้อยและเชื่อถือได้นานหลายปี เทคโนโลยีอินเวอร์เตอร์มีการพัฒนาอย่างรวดเร็วและได้แปลงพลังงานแสงอาทิตย์จากแหล่งพลังงานแฝงที่บางครั้งอาจเป็นปัญหาให้กลายเป็นผู้มีส่วนร่วมอย่างแข็งขันในเสถียรภาพของโครงข่ายไฟฟ้า โดยให้การสนับสนุนแรงดันไฟฟ้า การควบคุมความถี่ และความเฉื่อยสังเคราะห์ การใช้พลังงานแสงอาทิตย์ในแอปพลิเคชันแบบกระจาย ช่วยบรรเทาความแออัดของการส่งสัญญาณ และเพิ่มความยืดหยุ่นของโครงข่ายไฟฟ้าจากการหยุดชะงักครั้งใหญ่

ขณะที่เราเร่งการเปลี่ยนแปลงด้านพลังงาน วิศวกร ผู้กำหนดนโยบาย และสาธารณชนทุกคนจะต้องใช้เทคโนโลยีที่ทันสมัยที่สุดที่มีอยู่ แทนที่จะใช้ความกลัวในอดีตเกี่ยวกับเทคโนโลยีนั้น ดังนั้น พลังงานแสงอาทิตย์จึงเปลี่ยนจากการเป็นหนึ่งในจุดเชื่อมโยงที่อ่อนแอที่สุด มาสู่การเป็นหนึ่งในองค์ประกอบที่สำคัญและมีเสถียรภาพมากที่สุดของโครงข่ายไฟฟ้าในศตวรรษที่ 21