Солнечный инвертор

Внутренний вид солнечного инвертора. Обратите внимание на множество больших конденсаторов (синие цилиндры), используемых для смягчения двойной пульсации частоты сети, возникающей из-за однофазной системы переменного тока.

или Солнечный инвертор фотоэлектрический (PV) инвертор — это тип силового инвертора , который преобразует выходной переменный постоянный ток (DC) фотоэлектрической солнечной панели в (AC) промышленной частоты переменный ток , который можно подавать в коммерческую электрическую сеть или использовать от местной автономной электрической сети. Это критический баланс системы (BOS) – компонента фотоэлектрической системы , позволяющий использовать обычное оборудование с питанием от сети переменного тока. солнечной Инверторы энергии имеют специальные функции, адаптированные для использования с фотоэлектрическими батареями, включая отслеживание точки максимальной мощности и защиту от изолирования .

Классификация

Автономная система электропитания с аккумулятором

Упрощенная схема бытовой фотоэлектрической энергосистемы, подключенной к сети переменного тока.

Солнечные инверторы можно разделить на четыре основных типа:

1. Автономные инверторы , используемые в автономных энергосистемах , где инвертор получает энергию постоянного тока от батарей, заряжаемых фотоэлектрическими батареями. Многие автономные инверторы также оснащены встроенными зарядными устройствами для зарядки аккумулятора от источника переменного тока, если он доступен. Обычно они никак не взаимодействуют с энергосистемой и поэтому не требуют защиты от изолирования.
2. Сетевые инверторы , которые согласовывают фазу , подаваемой от сети с синусоидальной волной . Сетевые инверторы предназначены для автоматического отключения при потере электроснабжения по соображениям безопасности. Они не обеспечивают резервное питание во время перебоев в электроснабжении.
3. Инверторы с резервным аккумулятором — это специальные инверторы, которые предназначены для получения энергии от аккумулятора, управления зарядом аккумулятора через бортовое зарядное устройство и экспорта избыточной энергии в электросеть. Эти инверторы способны подавать энергию переменного тока на выбранные нагрузки во время отключения электроэнергии и должны иметь защиту от изолирования.
4. Интеллектуальные гибридные инверторы управляют фотоэлектрической решеткой, аккумуляторной батареей и коммунальной сетью, которые подключены непосредственно к устройству. Эти современные системы «все в одном» обычно очень универсальны и могут использоваться для сетевых, автономных или резервных приложений, но их основной функцией является самостоятельное потребление с использованием хранилища.

Отслеживание точки максимальной мощности

Основная статья: Отслеживание точки максимальной мощности

Солнечные инверторы используют отслеживание точки максимальной мощности (MPPT), чтобы получить максимально возможную мощность от фотоэлектрической батареи. Солнечные элементы имеют сложную взаимосвязь между солнечным излучением , температурой и общим сопротивлением, что приводит к нелинейной выходной эффективности, известной как IV-кривая . Целью системы MPPT является выборка выходных данных ячеек и определение сопротивления (нагрузки) для получения максимальной мощности для любых заданных условий окружающей среды.

Коэффициент заполнения , более известный под аббревиатурой FF , представляет собой параметр, который в сочетании с напряжением холостого хода (V _oc ) и током короткого замыкания (I _sc ) панели определяет максимальную мощность солнечного элемента. Коэффициент заполнения определяется как отношение максимальной мощности солнечного элемента к произведению V _oc и I _sc .

Существует три основных типа алгоритмов MPPT : возмущение и наблюдение, возрастающая проводимость и постоянное напряжение. Первые два метода часто называют методами восхождения на холм ; они основаны на кривой мощности, построенной в зависимости от напряжения, возрастающего слева от точки максимальной мощности и падающего справа.

Сетевые солнечные инверторы

См. Также: Сетевой инвертор.

Солнечные микроинверторы в домашней системе, подключенной к сети.

Ключевая роль сетевых или синхронных инверторов или просто сетевых инверторов (GTI) заключается в синхронизации фазы, напряжения и частоты линии электропередачи счто из сетки. Инверторы для солнечной сети предназначены для быстрого отключения от сети в случае энергосистемы отключения . Это требование NEC , которое гарантирует, что в случае отключения электроэнергии инвертор отключится, чтобы не допустить, чтобы производимая им энергия навредила линейным работникам, которые посланы для ремонта электросети .

Сетевые инверторы, доступные сегодня на рынке, используют ряд различных технологий. В инверторах могут использоваться новые высокочастотные трансформаторы , обычные низкочастотные трансформаторы или вообще не использоваться трансформатор. Вместо преобразования постоянного тока непосредственно в переменный ток напряжением 120 или 240 В высокочастотные трансформаторы используют компьютеризированный многоступенчатый процесс, который включает преобразование энергии в высокочастотный переменный ток, а затем обратно в постоянный ток, а затем в конечное выходное напряжение переменного тока.

Исторически существовали опасения по поводу включения бестрансформаторных электрических систем в коммунальную сеть. Опасения связаны с отсутствием гальванической развязки между цепями постоянного и переменного тока, что может привести к переходу опасных повреждений постоянного тока на сторону переменного тока. С 2005 года NEC NFPA разрешает использовать инверторы без трансформатора (или без гальванической развязки). В VDE 0126-1-1 и IEC 6210 также были внесены поправки, позволяющие определить механизмы безопасности, необходимые для таких систем. В первую очередь обнаружение остаточного тока или тока заземления используется для обнаружения возможных неисправностей. Также проводятся испытания изоляции для обеспечения разделения постоянного и переменного тока.

Многие солнечные инверторы предназначены для подключения к электросети и не будут работать, если не обнаруживают наличие сети. Они содержат специальную схему для точного согласования напряжения, частоты и фазы сети. Когда сеть не обнаружена, сетевые инверторы не будут производить электроэнергию, чтобы избежать изолированности , которая может вызвать проблемы с безопасностью.

Солнечные насосные инверторы

Усовершенствованные инверторы для солнечных насосов преобразуют постоянное напряжение солнечной батареи в переменное напряжение для непосредственного привода погружных насосов без необходимости использования батарей или других устройств хранения энергии. Используя MPPT (отслеживание точки максимальной мощности), инверторы для солнечных насосов регулируют выходную частоту, чтобы контролировать скорость насосов и предохранять двигатель насоса от повреждения.

Инверторы для солнечных насосов обычно имеют несколько портов для ввода постоянного тока, генерируемого фотоэлектрическими массивами, один порт для вывода переменного напряжения и еще один порт для ввода от датчика уровня воды.

Трехфазный инвертор

Трехфазный инвертор — это тип солнечного микроинвертора, специально разработанный для подачи трехфазной электроэнергии . В обычных конструкциях микроинверторов, работающих с однофазным питанием, энергия от панели должна сохраняться в течение периода перехода напряжения через ноль, что происходит дважды за цикл (при частоте 50 или 60 Гц ). В трехфазной системе на протяжении всего цикла один из трех проводов имеет положительное (или отрицательное) напряжение , поэтому потребность в накопителе можно значительно снизить, передавая выходной сигнал панели на разные провода во время каждого цикла. Сокращение запасов энергии значительно снижает цену и сложность аппаратного обеспечения преобразователя, а также потенциально увеличивает его ожидаемый срок службы.

Концепция

Фон

Обычный переменный ток представляет собой синусоидальную структуру напряжения, которая повторяется в течение определенного периода. Это означает, что за один цикл напряжение проходит через ноль два раза. В европейских системах напряжение на вилке составляет максимум 230 В и циклически повторяется 50 раз в секунду, что означает, что 100 раз в секунду напряжение равно нулю, тогда как в североамериканских системах напряжение составляет 120 В, 60 Гц или 120 раз в секунду с нулевым напряжением. секунда.

Недорогие инверторы могут преобразовывать мощность постоянного тока в переменный ток, просто включая и выключая сторону постоянного тока 120 раз в секунду, инвертируя напряжение каждый второй цикл. В результате получается прямоугольный сигнал, который достаточно близок к источнику переменного тока для многих устройств. Однако такое решение бесполезно в случае солнечной энергетики, где цель состоит в том, чтобы преобразовать как большую часть солнечной можно энергии в переменный ток. Если использовать эти недорогие типы инверторов, вся мощность, вырабатываемая во время отключения стороны постоянного тока, просто теряется, и это составляет значительную часть каждого цикла.

Чтобы решить эту проблему, солнечные инверторы используют некоторую форму хранения энергии для буферизации мощности панели в периоды перехода через ноль. Когда напряжение переменного тока превышает напряжение в накопителе, оно сбрасывается на выход вместе с любой энергией, вырабатываемой панелью в этот момент. Таким образом, энергия, вырабатываемая панелью в течение всего цикла, в конечном итоге передается на выход.

Проблема с этим подходом заключается в том, что количество энергии, необходимое при подключении к типичной современной солнечной панели, может быть экономически обеспечено только за счет использования электролитических конденсаторов . Они относительно недороги, но имеют хорошо известные способы разложения, что означает, что ожидаемый срок их службы составляет порядка десятилетия. Это привело к бурным спорам в отрасли о том, являются ли микроинверторы хорошей идеей, поскольку, когда эти конденсаторы начинают выходить из строя в конце ожидаемого срока службы, их замена потребует снятия панелей, часто на крыше.

Трехфазный

Переменный ток (зеленый) неоднократно проходит через нулевое напряжение, в течение этого времени энергия панели должна сохраняться или теряться. Трехфазное питание (синее) остается положительным на протяжении всего цикла и, следовательно, практически не требует хранения.

По сравнению с обычным бытовым током по двум проводам, ток на стороне подачи электросети использует три провода и фазы. В любой момент времени сумма этих трёх всегда положительна (или отрицательна). Таким образом, хотя любой провод в трехфазной системе подвергается переходу через нуль точно так же, как и бытовой ток, система в целом этого не делает, а просто колеблется между максимальным и немного меньшим значением.

Микроинвертор, разработанный специально для трехфазного питания, может исключить большую часть необходимого объема памяти, просто выбрав, какой провод ближе всего к его собственному рабочему напряжению в любой данный момент. Простая система могла бы просто выбрать провод, ближайший к максимальному напряжению, и переключиться на следующую линию, когда оно начнет приближаться к максимальному. В этом случае системе остается запасать только количество энергии от пика до минимума цикла в целом, что значительно меньше как по разности напряжений, так и по времени.

Это можно еще больше улучшить, выбрав провод, который ближе всего к его собственному напряжению постоянного тока в любой момент времени, вместо переключения с одного на другой исключительно по таймеру. В любой момент времени два из трех проводов будут иметь положительное (или отрицательное) напряжение, а использование провода, расположенного ближе к стороне постоянного тока, позволит получить небольшое повышение эффективности аппаратного обеспечения преобразования.

Сокращение или полное устранение требований к хранению энергии упрощает устройство и устраняет один компонент, который, как ожидается, будет определять его срок службы. Вместо десятилетия можно было бы построить трехфазный микроинвертор, рассчитанный на весь срок службы панели. Такое устройство также будет менее дорогим и менее сложным, хотя и за счет необходимости подключения каждого инвертора ко всем трем линиям, что, возможно, приведет к увеличению количества проводов.

Недостатки

Основным недостатком концепции трехфазного инвертора является то, что преимуществами этих систем могут воспользоваться только объекты с трехфазным питанием. Трехфазные сети легко доступны на коммунальных и коммерческих объектах, и именно на эти рынки были ориентированы системы. Однако основные преимущества концепции микроинвертора связаны с проблемами затенения и ориентации панелей, а в случае больших систем их легко решить, просто перемещая панели. Преимущества трехфазного микроавтобуса весьма ограничены по сравнению с жилым случаем с ограниченным пространством для работы.

По состоянию на 2014 год наблюдатели считали, что трехфазные микросхемы еще не достигли той ценовой точки, где их преимущества оказались бы оправданными. Кроме того, ожидается, что затраты на подключение трехфазных микроинверторов будут выше.

Объединение этапов

Важно противопоставить родной трехфазный инвертор трем однофазным микроинверторам, подключенным к трехфазному выходу. Последнее является относительно распространенной особенностью большинства конструкций инверторов, позволяющей соединить три одинаковых инвертора вместе, каждый через пару проводов в трехфазной цепи. В результате получается трехфазное питание, но каждый инвертор в системе выдает одну фазу. Решения такого рода не используют преимущества снижения потребностей в хранении энергии, описанные выше.

Солнечные микроинверторы

Солнечный микроинвертор в процессе установки. Заземляющий провод прикрепляется к наконечнику, а разъемы постоянного тока панели подключаются к кабелям в правом нижнем углу. Параллельный магистральный кабель переменного тока проходит вверху (только виден).

Солнечный микроинвертор — это инвертор, предназначенный для работы с одним фотоэлектрическим модулем. Микроинвертор преобразует выходной постоянный ток каждой панели в переменный ток . Его конструкция позволяет параллельно подключать несколько независимых блоков по модульному принципу.

Преимущества микроинвертора включают оптимизацию мощности одной панели, независимую работу каждой панели, установку по принципу «включай и работай», улучшенную установку и пожаробезопасность, минимизацию затрат за счет проектирования системы и минимизацию складских запасов.

Исследование, проведенное в 2011 году в Аппалачском государственном университете, сообщает, что отдельная интегрированная инверторная установка дает примерно на 20% больше мощности в незатененных условиях и на 27% больше мощности в затененных условиях по сравнению с установкой с цепным подключением с использованием одного инвертора. В обеих установках использовались идентичные солнечные панели.

См. также: Модуль переменного тока

Солнечный микроинвертор.

Солнечный микроинвертор или просто микроинвертор — это устройство plug-and-play, используемое в фотогальванике , которое преобразует постоянный ток (DC), генерируемый одним солнечным модулем, в переменный ток (AC). Микроинверторы контрастируют с обычными струнными и центральными солнечными инверторами, в которых один инвертор подключен к нескольким солнечным панелям. Выходной сигнал нескольких микроинверторов можно объединить и часто подавать в электрическую сеть .

Микроинверторы имеют ряд преимуществ перед обычными инверторами. Основное преимущество заключается в том, что они электрически изолируют панели друг от друга, поэтому небольшое количество затенения, мусора или снежных полос на любом солнечном модуле или даже полный отказ модуля не приводят к непропорциональному снижению выходной мощности всей батареи. Каждый микроинвертор собирает оптимальную мощность, отслеживая точку максимальной мощности (MPPT) для подключенного к нему модуля. Простота конструкции системы, провода с меньшей силой тока, упрощенное управление запасами и повышенная безопасность — это другие факторы, представленные в решении с микроинвертором.

Основные недостатки микроинвертора включают более высокую начальную стоимость оборудования на пиковый ватт , чем эквивалентная мощность центрального инвертора, поскольку каждый инвертор необходимо устанавливать рядом с панелью (обычно на крыше). Это также усложняет их обслуживание и делает более дорогостоящим их удаление и замену. Некоторые производители решили эти проблемы с помощью панелей со встроенными микроинверторами. Микроинвертор часто имеет более длительный срок службы, чем центральный инвертор, который потребует замены в течение срока службы солнечных панелей. Таким образом, финансовый недостаток на первых порах может стать преимуществом в долгосрочной перспективе.

Оптимизатор мощности — это тип технологии, аналогичный микроинвертору, который также использует отслеживание максимальной мощности на уровне панели, но не преобразует в переменный ток на модуль.

Описание

Струнный инвертор

Солнечные панели вырабатывают постоянный ток при напряжении, которое зависит от конструкции модуля и условий освещения. Современные модули, использующие 6-дюймовые ячейки, обычно содержат 60 ячеек и выдают номинальное напряжение 24–30 В. (так что инверторы готовы на 24-50 В).

Для преобразования в переменный ток панели можно соединить последовательно, чтобы получить массив, который фактически представляет собой одну большую панель с номинальным напряжением от 300 до 600 В постоянного тока. Затем энергия поступает на инвертор, который преобразует ее в стандартное переменное напряжение, обычно 230 В переменного тока / 50 Гц или 240 В переменного тока / 60 Гц.

Основная проблема с использованием цепного инвертора заключается в том, что цепочка панелей действует так, как если бы это была одна большая панель с максимальным номинальным током, эквивалентным самой плохой производительности в цепочке. Например, если сопротивление одной панели в цепочке на 5% выше из-за незначительного производственного дефекта, производительность всей цепочки снижается на 5%. Эта ситуация динамична. Если панель затенена, ее вывод резко падает, что влияет на вывод строки, даже если другие панели не затенены. Даже небольшие изменения ориентации могут привести к потере выходного сигнала. В промышленности это известно как «эффект рождественских гирлянд», имея в виду то, что вся цепочка последовательно соединенных елочных гирлянд выйдет из строя, если выйдет из строя одна лампочка. Однако этот эффект не совсем точен и игнорирует сложное взаимодействие между отслеживанием точки максимальной мощности современного струнного инвертора и даже обходными диодами модуля . Исследования затенения, проведенные крупными компаниями, производящими микроинверторы и оптимизаторы постоянного тока, показывают небольшой годовой прирост в условиях легкой, средней и сильной затененности – 2%, 5% и 8% соответственно – по сравнению со старым струнным инвертором.

Кроме того, эффективность выхода панели сильно зависит от нагрузки, которую оказывает на нее инвертор. Чтобы максимизировать производительность, инверторы используют метод, называемый отслеживанием точки максимальной мощности , чтобы обеспечить оптимальный сбор энергии путем регулирования приложенной нагрузки. Однако те же проблемы, из-за которых выходная мощность варьируется от панели к панели, влияют на правильную нагрузку, которую должна применять система MPPT. Если одна панель работает в другой точке, инвертор цепочки видит только общее изменение и перемещает точку MPPT в соответствии с ней. Это приводит к потерям не только на затененной панели, но и на других панелях. Затенение всего 9% поверхности массива может в некоторых случаях снизить энергопотребление всей системы на целых 54%. Однако, как указано выше, эти ежегодные потери урожайности относительно невелики, и новые технологии позволяют некоторым струнным инверторам значительно снизить эффект частичного затенения.

Другая проблема, хотя и незначительная, заключается в том, что струнные инверторы доступны с ограниченным набором номинальных мощностей. Это означает, что данный массив обычно увеличивает мощность инвертора до следующей по величине модели по сравнению с номиналом массива панелей. Например, для массива из 10 панелей мощностью 2300 Вт, возможно, придется использовать инвертор мощностью 2500 или даже 3000 Вт, платя за возможность преобразования, которую он не может использовать. Эта же проблема затрудняет изменение размера массива с течением времени, увеличивая мощность при наличии средств (модульность). Если клиент изначально приобрел инвертор мощностью 2500 Вт для своих панелей мощностью 2300 Вт, он не сможет добавить даже одну панель без перегрузки инвертора. Тем не менее, такое превышение номинального значения считается обычной практикой в ​​современной отрасли (иногда оно достигает 20 % от номинального значения, указанного на паспортной табличке инвертора), чтобы учесть деградацию модуля, более высокую производительность в зимние месяцы или добиться более высокой обратной продажи энергоснабжающему предприятию.

Другие проблемы, связанные с централизованными инверторами, включают пространство, необходимое для размещения устройства, а также требования к рассеиванию тепла. Большие центральные инверторы обычно имеют активное охлаждение. Охлаждающие вентиляторы издают шум, поэтому необходимо учитывать расположение инвертора относительно офисов и жилых помещений. А поскольку охлаждающие вентиляторы имеют движущиеся части, грязь, пыль и влага со временем могут отрицательно повлиять на их производительность. Струнные инверторы тише, но могут издавать гудящий шум ближе к вечеру, когда мощность инвертора низкая.

Микроинвертор

Микроинверторы — это небольшие инверторы, рассчитанные на работу с выходной мощностью одной панели или пары панелей. Сетевые панели обычно имеют номинальную мощность от 225 до 275 Вт, но на практике они редко обеспечивают такую ​​мощность, поэтому микроинверторы обычно имеют мощность от 190 до 220 Вт (иногда 100 Вт). Поскольку он работает в этой точке с более низкой мощностью, многие проблемы проектирования, присущие более крупным конструкциям, просто исчезают; необходимость в большом трансформаторе обычно устраняется, большие электролитические конденсаторы могут быть заменены более надежными тонкопленочными, а охлаждающая нагрузка снижается, поэтому вентиляторы не требуются. Среднее время наработки на отказ (MTBF) указывается в сотнях лет.

Микроинвертор, подключенный к одной панели, позволяет изолировать и настраивать выход этой панели. Любая панель с недостаточной производительностью не влияет на панели вокруг нее. В этом случае массив в целом производит на 5% больше энергии, чем при использовании струнного инвертора. Если принять во внимание теневое копирование, если таковое имеется, то этот выигрыш может стать значительным: производители обычно заявляют о повышении производительности как минимум на 5%, а в некоторых случаях - до 25%. Более того, одну модель можно использовать с самыми разными панелями, новые панели можно добавлять в массив в любое время, и они не обязательно должны иметь тот же рейтинг, что и существующие панели.

Микроинверторы производят переменный ток, соответствующий сети, непосредственно на задней стороне каждой солнечной панели. Массивы панелей соединяются параллельно друг с другом, а затем с сеткой. Это имеет главное преимущество: одна неисправная панель или инвертор не может отключить всю цепочку. Некоторые предполагают, что в сочетании с меньшими мощностными и тепловыми нагрузками и улучшенным средним временем безотказной работы (MTBF) общая надежность массива системы на основе микроинвертора значительно выше, чем у системы на основе струнного инвертора. Это утверждение подтверждается более длительными гарантиями, обычно от 15 до 25 лет, по сравнению с 5 или 10-летними гарантиями, которые более типичны для струнных инверторов. Кроме того, при возникновении ошибок их можно идентифицировать по одной точке, а не по всей цепочке. Это не только облегчает идентификацию неисправностей, но и выявляет мелкие проблемы, которые в противном случае не могли бы стать видимыми — одна неэффективная панель может не повлиять на вывод длинной строки настолько, чтобы ее можно было заметить.

Недостатки

Основным недостатком концепции микроинвертора до недавнего времени была стоимость. Поскольку каждый микроинвертор должен дублировать большую часть сложности струнного инвертора, но распределять ее по меньшей номинальной мощности, затраты в пересчете на ватт будут выше. Это нивелирует любые преимущества в плане упрощения отдельных компонентов. По состоянию на февраль 2018 года центральный инвертор стоит примерно 0,13 доллара за ватт, тогда как микроинвертор стоит примерно 0,34 доллара за ватт. Как и в случае с струнными инверторами, экономические соображения вынуждают производителей ограничивать количество выпускаемых ими моделей. Большинство из них производят одну модель, размер которой может быть больше или меньше размера конкретной панели.

Во многих случаях упаковка может оказать существенное влияние на цену. С центральным инвертором у вас может быть только один набор подключений для десятков панелей, один выход переменного тока и одна коробка. Для микроинверторных установок размером более 15 панелей может также потребоваться установка на крыше распределительного щита «объединителя». Это может увеличить общую цену за ватт.

Чтобы еще больше снизить затраты, некоторые модели управляют двумя или тремя панелями от инвертора, что снижает стоимость упаковки и связанные с ней затраты. Некоторые системы помещают два целых микроконтроллера в один корпус, в то время как другие дублируют только секцию MPPT системы и используют одну ступень преобразования постоянного тока в переменный для дальнейшего снижения затрат. Некоторые предполагают, что этот подход сделает микроинверторы сопоставимыми по стоимости с теми, которые используют струнные инверторы. С неуклонным снижением цен, появлением двойных микроинверторов и появлением более широких При выборе модели, более точно соответствующей выходной мощности фотоэлектрического модуля, стоимость не является препятствием.

Микроинверторы стали обычным явлением там, где размеры массивов невелики, и возникает проблема максимизации производительности каждой панели. В этих случаях разница в цене за ватт минимизируется из-за небольшого количества панелей и мало влияет на общую стоимость системы. Улучшение сбора энергии при использовании массива фиксированного размера может компенсировать эту разницу в стоимости. По этой причине микроинверторы оказались наиболее успешными на рынке жилых помещений, где ограниченное пространство для панелей ограничивает размер массива, а затенение от близлежащих деревьев или других объектов часто является проблемой. Производители микроинверторов перечисляют множество установок, некоторые из которых составляют всего одну панель, а большинство - менее 50.

Недостатком микроинверторов, который часто упускают из виду, являются связанные с ними будущие затраты на эксплуатацию и техническое обслуживание. Хотя технология с годами совершенствуется, факт остается фактом: устройства в конечном итоге либо выходят из строя, либо изнашиваются. . Установщик должен сбалансировать эти затраты на замену (около 400 долларов США за рулон грузовика), повышенные риски для безопасности персонала, оборудования и стеллажей модулей с прибылью от установки. Для домовладельцев возможный износ или преждевременный выход устройства из строя приведет к потенциальному повреждению черепицы или черепицы, повреждению имущества и другим неприятностям.

Преимущества

Хотя микроинверторы обычно имеют более низкий КПД, чем струнные инверторы, общий КПД увеличивается за счет того, что каждый блок инвертора/панели действует независимо. В конфигурации цепочки, когда панель на цепочке затенена, выходной сигнал всей цепочки панелей уменьшается до выходного сигнала панели с наименьшей производительностью. Это не относится к микроинверторам.

Еще одним преимуществом является качество вывода на панель. Номинальная мощность любых двух панелей в одном производственном цикле может отличаться на 10% и более. Это смягчается с помощью конфигурации микроинвертора, но не в конфигурации с цепочкой. Результатом является получение максимальной мощности от массива микроинверторов.

Системы с микроинверторами также легче заменять, когда потребность в мощности растет или снижается с течением времени. Поскольку каждая солнечная панель и микроинвертор представляют собой небольшую собственную систему, они действуют в определенной степени независимо. Это означает, что добавление одной или нескольких панелей просто обеспечит больше энергии, пока группа предохраняемого электричества в доме или здании не превышает свои пределы. Напротив, для инверторов на основе цепочки размер инвертора должен соответствовать количеству панелей или величине пиковой мощности. Выбор струны-инвертора увеличенного размера возможен, когда предусматривается дальнейшее расширение, но такой резерв на неопределенное будущее в любом случае увеличивает затраты.

Мониторинг и обслуживание также упрощается, поскольку многие производители микроинверторов предоставляют приложения или веб-сайты для мониторинга выходной мощности своих устройств. Во многих случаях они являются собственностью компании; однако это не всегда так. После закрытия Enecsys и последующего закрытия их сайта; ряд частных сайтов, таких как Enecsys-Monitoring появился, чтобы позволить владельцам продолжать контролировать свои системы.

Трехфазные микроинверторы

Эффективное преобразование постоянного тока в переменный требует, чтобы инвертор сохранял энергию от панели, пока переменное напряжение сети близко к нулю, а затем снова отпускал ее, когда оно возрастает. Это требует значительного количества энергии, хранящейся в небольшом корпусе. Самым дешевым вариантом для необходимого объема хранения является электролитический конденсатор, но он имеет относительно короткий срок службы, обычно измеряемый годами, и этот срок службы короче, когда он работает в горячем состоянии, как, например, солнечная панель на крыше. Это привело к значительным усилиям разработчиков микроинверторов, которые представили множество топологий преобразования с пониженными требованиями к хранению, некоторые из которых, где это возможно, использовали гораздо менее производительные, но гораздо более долговечные тонкопленочные конденсаторы .

Трехфазная электроэнергия представляет собой еще одно решение проблемы. В трехфазной цепи мощность не меняется между (скажем) от +120 до -120 В между двумя линиями, а вместо этого варьируется между 60 и +120 или -60 и -120 В, а периоды изменения намного короче. . Инверторы, предназначенные для работы в трехфазных системах, требуют гораздо меньше места для хранения. Трехфазный микросхема, использующая переключение при нулевом напряжении, также может обеспечить более высокую плотность схемы и более дешевые компоненты, одновременно повышая эффективность преобразования до более чем 98%, что лучше, чем у типичного однофазного пика около 96%.

Однако трехфазные системы обычно встречаются только в промышленных и коммерческих условиях. На этих рынках обычно устанавливаются более крупные массивы, где ценовая чувствительность является самой высокой. Распространение трехфазных микросхем, несмотря на любые теоретические преимущества, представляется очень низким.

Защита

Защита микроинверторов обычно включает защиту от изолирования ; короткое замыкание ; обратная полярность ; низкое напряжение ; перенапряжение и перегрев.

Портативное использование

Складную солнечную панель с микроинверторами переменного тока можно использовать для подзарядки ноутбуков и некоторых электромобилей .

История

Концепция микроинвертора используется в солнечной промышленности с момента ее появления. Однако фиксированные затраты на производство, такие как стоимость трансформатора или корпуса, благоприятно коррелировали с размером и означали, что более крупные устройства по своей сути были менее дорогими с точки зрения цены за ватт . Небольшие инверторы были доступны от таких компаний, как ExelTech и других, но это были просто небольшие версии более крупных конструкций с низкой ценой и нацелены на нишевые рынки.

Ранние примеры

Выпущенный в 1993 году Sunmaster 130S компании Mastervolt стал первым настоящим микроинвертором.

Еще один ранний микроинвертор, OK4E-100 1995 года выпуска – E для Европы, 100 на 100 Вт.

В 1991 году американская компания Ascension Technology начала работу над, по сути, уменьшенной версией традиционного инвертора, предназначенной для установки на панели для формирования панели переменного тока . В основе этой конструкции лежит обычный линейный регулятор, который не отличается особой эффективностью и рассеивает значительное количество тепла. В 1994 году они отправили образец на тестирование в Sandia Labs . В 1997 году Ascension заключила партнерское соглашение с американской компанией по производству панелей ASE Americas, чтобы представить панель SunSine мощностью 300 Вт.

Разработка того, что сегодня было бы признано «настоящим» микроинвертором, ведет свою историю с работы Вернера Кляйнкауфа в конце 1980-х годов в ISET ( Institut für Solare Energieversorgungstechnik ), ныне Институте Фраунгофера по ветроэнергетике и технологиям энергетических систем. В основе этих конструкций лежит современная технология высокочастотного импульсного источника питания, которая значительно более эффективна. Его работа над «модульными преобразователями» имела большое влияние, особенно в Европе.

В 1993 году компания Mastervolt представила свой первый сетевой инвертор Sunmaster 130S, созданный в результате совместных усилий Shell Solar, Ecofys и ECN. Модель 130 была разработана для установки непосредственно на задней части панели, соединяя линии переменного и постоянного тока с помощью компрессионных фитингов . В 2000 году модель 130 была заменена Soladin 120 — микроинвертором в форме адаптера переменного тока , который позволяет подключать панели, просто вставив их в любую настенную розетку .

В 1995 году OKE-Services разработала новую высокочастотную версию с повышенной эффективностью, которая была представлена ​​на рынке как OK4-100 в 1995 году компанией NKF Kabel и переименована для продаж в США в Trace Microsine. Новая версия OK4All повысила эффективность и имела более широкий рабочий диапазон.

Несмотря на такое многообещающее начало, к 2003 году большинство этих проектов завершилось. Ascension Technology была приобретена крупным интегратором Applied Power Corporation. APC, в свою очередь, была куплена компанией Schott в 2002 году, а производство SunSine было прекращено в пользу существующих разработок Schott. НКФ прекратил производство серии ОК4 в 2003 году, когда закончилась программа субсидирования. Мастервольт перешла к линейке «мини-инверторов», сочетающих в себе простоту использования модели 120 в системе, рассчитанной на поддержку панелей мощностью до 600 Вт.

Энфаза

После краха телекоммуникационной отрасли в 2001 году Мартин Форнаж из Cerent Corporation искал новые проекты. Когда он увидел низкую производительность струнного инвертора для солнечной батареи на своем ранчо, он нашел проект, который искал. В 2006 году он вместе с другим инженером Cerent, Рагху Белуром, основал компанию Enphase Energy , и следующий год они посвятили применению своего опыта проектирования телекоммуникаций для решения проблемы инверторов.

Выпущенная в 2008 году модель Enphase M175 стала первым коммерчески успешным микроинвертором. Преемник, M190, был представлен в 2009 году, а последняя модель, M215, в 2011 году. При поддержке прямых инвестиций в размере 100 миллионов долларов доля рынка Enphase быстро выросла до 13% к середине 2010 года, стремясь к 20% к концу года. . В начале 2011 года они отгрузили свой 500-тысячный инвертор. и их 1 000 000-й в сентябре того же года. В начале 2011 года они объявили, что обновленные версии новой конструкции будут продаваться Siemens напрямую подрядчикам по электротехнике для широкого распространения.

Enphase подписала соглашение с EnergyAustralia о продаже своей микроинверторной технологии.

Основные игроки

Успех Enphase не остался незамеченным, и с 2010 года появилось множество конкурентов, которые практически покинули эту сферу. Многие изделия были идентичны M190 по характеристикам и даже по корпусу и деталям крепления. Некоторые отличаются друг от друга, конкурируя с Enphase с точки зрения цены или производительности. в то время как другие атакуют нишевые рынки.

Более крупные фирмы также вышли на поле: SMA , Enecsys и iEnergy .

OKE-Services обновила продукт OK4-All, который был куплен SMA в 2009 году и выпущен под названием SunnyBoy 240 после длительного периода разработки. в то время как Power-One представила AURORA 250 и 300. Среди других крупных игроков примерно в 2010 году были Enecsys и SolarBridge Technologies , особенно за пределами рынка Северной Америки. В 2021 году единственный микроинвертор производства США — от Chilicon Power. С 2009 года несколько компаний от Европы до Китая, в том числе крупные производители центральных инверторов, запустили микроинверторы, подтвердив, что микроинвертор является признанной технологией и одним из крупнейших технологических сдвигов в фотоэлектрической отрасли за последние годы.

APsystems продает инверторы для четырех солнечных модулей и микроинверторы, включая трехфазный YC1000 с выходной мощностью переменного тока до 1130 Вт.

Число производителей с годами сократилось, как за счет истощения, так и консолидации. В 2019 году в число оставшихся входят Enphase , купившая SolarBridge в 2021 году, Omnik Solar и Chilicon Power (приобретена Generac в июле 2021 г.).

В июле 2021 года в список крупных фотоэлектрических компаний, которые сотрудничали с компаниями-микроинверторами для производства и продажи солнечных панелей переменного тока, вошли BenQ , Canadian Solar , LG , NESL , SunPower , Sharp Solar , Suntech , Siemens , Trina Solar и Qcells .

Рынок

По состоянию на 2019 год эффективность преобразования современных солнечных преобразователей достигла более 98 процентов. В то время как струнные инверторы используются в бытовых и средних коммерческих фотоэлектрических системах , центральные инверторы охватывают большой рынок коммерческих и коммунальных предприятий. Доля рынка центральных и струнных инверторов составляет около 36 процентов и 61 процента соответственно, оставляя менее 2 процентов на долю микроинверторов.

Рынок инверторов/преобразователей в 2019 году

Тип	Власть	Эффективность (а)	Рынок Делиться (б)	Примечания
Струнный инвертор	до 150 кВт р (с)	98%	61.6%	Расходы (б) 0,05–0,17 евро за пиковый ватт. Легко заменить.
Центральный инвертор	выше 80 кВт р	98.5%	36.7%	0,04 евро за пиковый ватт. Высокая надежность. Часто продается вместе с договором на обслуживание.
Микроинвертор	диапазон мощности модуля	90%–97%	1.7%	0,29 евро за пиковый ватт. Проблемы с простотой замены.
Преобразователь постоянного тока в постоянный ( Оптимизатор мощности )	диапазон мощности модуля	99.5%	5.1%	0,08 евро за пиковый ватт. Проблемы с простотой замены. Инвертор все равно нужен.
Источник: данные IHS Markit 2020, замечания Fraunhofer ISE 2020, из: Отчет по фотоэлектрической энергии 2020, стр. 39, PDF Примечания : (а) продемонстрирована лучшая эффективность, (б) оцениваются доля рынка и стоимость за ватт, (с) кВт p = киловатт -пик , (г) Общая доля рынка превышает 100 %, поскольку преобразователи постоянного/постоянного тока должны работать в паре со струнными инверторами.

Цена снижается

В период с 2009 по 2012 год наблюдалось беспрецедентное снижение цен на фотоэлектрическом рынке. В начале этого периода оптовые цены на панели обычно составляли от 2,00 до 2,50 долларов США за Вт, а на инверторы — от 50 до 65 центов за Вт. К концу 2012 года панели были широко доступны оптом по цене от 65 до 70 центов, а струнные инверторы - по цене от 30 до 35 центов за Вт. Для сравнения, микроинверторы оказались относительно невосприимчивыми к подобным снижениям цен, увеличившись с 65 центов/Вт до 50–55 с учетом кабелей. Это может привести к увеличению потерь, поскольку поставщики пытаются оставаться конкурентоспособными.

См. также

• Универсальные розетки переменного тока
• Амфеноловый разъем
• Сетевой инвертор
• Инвертор (электрический)
• Разъем MC4
• Наноинвертор
• Аппаратное обеспечение с открытым исходным кодом
• Оптимизатор мощности
• Трехфазный микроинвертор
• Распределительная коробка
• Выключатель
• Водонепроницаемый
• Зигби
• Контроллер заряда
• Преобразователь постоянного тока в постоянный
• Автономный
• Синхронвертер

Ссылки

• Ли, Цюань; П. Вольфс (2008). «Обзор топологии интегрированного преобразователя однофазного фотоэлектрического модуля с тремя различными конфигурациями звена постоянного тока» . Транзакции IEEE по силовой электронике . 23 (3): 1320–1333. Бибкод : 2008ITPE...23.1320L . дои : 10.1109/tpel.2008.920883 . hdl : 20.500.11937/5977 . S2CID   10910991 .
• Чен, Линь; А. Амирахмади; Ц. Чжан; Н. Куткут; И. Батарсе (2014). «Проектирование и реализация трехфазного двухступенчатого интегрированного преобразователя с модулем сетевого подключения». Транзакции IEEE по силовой электронике . 29 (8): 3881–3892. Бибкод : 2014ITPE...29.3881C . дои : 10.1109/tpel.2013.2294933 . S2CID   25846066 .
• Амирахмади, Ахмадреза; Х. Ху; А. Гришина; Ц. Чжан; Л. Чен; У. Сомани; И. Батарсе (2014). «Трехфазный микроинвертор ZVS BCM с управлением по току». Транзакции IEEE по силовой электронике . 29 (4): 2124–2134. дои : 10.1109/tpel.2013.2271302 . S2CID   43665974 .
• Заводская спецификация YC1000 (на 4 модуля): [1]

Библиография

• Дэвид Кац, «Микроинверторы и модули переменного тока» ,

Внешние ссылки

• Управление фотоэлектрическим инвертором на основе модели. Моделирование, описание и рабочая VisSim. диаграмма исходного кода
• Микроинверторы против центральных инверторов: есть ли явный победитель? , подкаст, обсуждающий плюсы и минусы микроинверторного подхода.
• Проектирование и реализация трехфазного двухступенчатого интегрированного преобразователя с модулем, подключенным к сети
• Обзор топологии интегрированного преобразователя однофазного фотоэлектрического модуля с тремя различными конфигурациями звена постоянного тока
• ZVS BCM Трехфазный микроинвертор с управлением по току
• Микроинвертор APsystems YC1000-3 на 4 модуля (900 Вт переменного тока)