Уменьшение солнечного инвертора, приводит к увеличению производительности

Солнечная электростанция воспринимается как единое целое не только обывателем, но и некоторыми составными устройствами, например инвертором. Такое представление было заложено изначально, для удешевления всего комплекса генератора электричества из альтернативного источника. Но оказывается, что такой подход чудовищно снижает производительность системы.

Для чего нужен инвертор солнечной системы

Солнечная панель генерирует постоянный ток (DC), но в бытовых условиях все приборы рассчитаны на переменный (АС). Задача инвертора, преобразовать постоянный ток в переменный, или же модифицировать его для зарядки аккумуляторов.

На инверторы в системах альтернативной энергии возлагается и дополнительная функция – отслеживание точки максимальной мощности (МРРТ — Maximum Power Point Tracking). Этот параметр определяет какую нагрузку требуется приложить к массиву солнечных панелей, чтобы извлечь максимум энергии.

Скабрезность ситуации в том, что инвертор оценивает средний показатель всей системы, игнорируя каждую панель, и тем более солнечный модуль, в отдельности. Но и в этом случае, вмешиваются естественные факторы, например частичное затенение одного модуля или загрязнение поверхности солнечной панели. Доказано, что при определённых обстоятельствах, затенение всего 9%  массива фотопанелей, снижает общую производительность более чем на 50%!

Почему так влияет затенение?

Проблема кроется в том, как ячейки соединены в солнечных панелях, и в централизованной форме оптимизации производительности, выполняемой инвертором системы.

Большинство солнечных электростанций сделано из панелей, соединенных параллельно. Каждая панель подает постоянный ток в инвертор, который затем преобразует его в переменный ток, а также оптимизирует выработку электроэнергии посредством отслеживания точки максимальной мощности (MPPT).

В свою очередь, каждый модуль в панели состоит из ячеек соединенных последовательно.

Для предотвращения выхода из строя всей цепочки ячеек, когда одна из них не работает, типичная установка оснащена «обходными диодами». Они перенаправляют ток вокруг неэффективных клеток. Уловка в том, что перенаправление тока приводит не только  к потере потенциальной энергии от этих ячеек, но и снижает напряжение всей линии!

Это ставит инвертор перед дилеммой:

1. оптимизировать напряжение по параметрам «неэффективной линии»;
2. максимизировать сбор энергии по данным эффективной линейки панелей.

В большинстве случаев инвертор выбирает первый вариант, в результате чего сбор энергии от линии с дефектом одной ячейки, падает почти до нуля.

На бытовом примере, это можно описать в следующем опыте, допустим всем ученикам средней школы надо вместе пробежать кросс 10 км. Руководитель забега (инвертор), стремясь к оптимизации, задаст такой темп движения, что выпускники будут идти шагом, первоклашки нестись изо всех сил, а средние классы бежать трусцой. А ведь среди учеников есть дети с ослабленным здоровьем… Поэтому общий забег устраивают только для учащихся одного года (одинаковые фотопанели).

Затенение, которое вызывает эту потерю эффективности, может принимать разные формы. В зависимости от объекта, вызывающего затенение, он может быть только сезонным или в течение нескольких часов каждый день, что приводит к явно загадочным колебаниям мощности. Потери энергии, вызванные частичным затенением солнечных модулей, трудно предсказать, поскольку они зависят от нескольких переменных, в том числе:

• внутренних межкомпонентных соединений;
• ориентация модуля;
• как модули связаны в массиве;
• конфигурации преобразователя и пр.

Именно поэтому солнечную электростанцию собирают из абсолютно одинаковых панелей. Но и это не решает проблему, ведь каждая панель собрана из модулей, а те в свою очередь из ячеек.

Варианты решения проблемы

Инверторы были достаточно дорогими приборами, на заре разработки и создания электростанций на возобновляемых источниках энергии. Поэтому весь массив солнечных панелей, подключался к одному инвертору. Это приняли за классическую компоновку.

Описанная выше проблема с падением производительности, дополняется лимитом мощности каждого инвертора. Например, владелец солнечной электростанции, у которого 10 фотопанелей по 200 Вт, через год решает добавить в систему ещё 5 модулей. Но номинальная мощность инвертора 2,5 кВт, а значит, потребуется поменять и эту часть оборудования. Да и в одном комплексе, старые и новые панели будут работать вообще не эффективно.

Микроинверторы  — первый шаг к увеличению производительности

Про возможность и востребованность таких устройств было известно с самого начала формирования рынка генераторов из возобновляемых источников энергии. Однако отсутствие соответствующих технологических решений и высокая цена комплектующих приводила к тому, что фактически выпускались уменьшенные копии обычных инверторов. Первый образец микроинвертора выпустила на рынок немецкая фирма Mastervolt в 1993 г.

Новичок в своём рыночном сегменте назывался Sunmaster 130S и работал на основе высокочастотного импульсного преобразователя. Это решение оказало сильное влияние на весь рынок комплектующих, для солнечных электростанций. Ведь такие устройства гораздо меньше грелись, и были надёжнее.

Sunmaster 130S рассчитан на подключение к одной панели, мощностью 130 Вт и напряжением 24 В. С ростом КПД солнечных панелей, стали появляться и более мощные микроинверторы. Но сдерживающим фактором всё равно была стоимость. В пересчёте на 1 Ватт, цена инвертора варьировалась в пределах 60-65 центов. Однако именно такой преобразователь, уже можно было использоваться в мобильной версии, для питания маломощных устройств в полевых условиях.

К 2019 году, стоимость микроинверторов серьёзно понизилась, и некоторые модели реализуются по 25 центов за Ватт, т.е. устройство мощностью 300 Вт, стоит ≈ 75 долларов США. Для сравнения, обычный инвертор стоит ≈ 12 центов/Ватт.

Для большего удешевления, несколько микроинверторов упаковывают в один корпус, например модель APSystems QS1 мощность. 1,2 кВт, контролирует 4 солнечных панели, индивидуально оценивая работу каждой.

Микроинверторы Enphase подключаются к каждой солнечной панели отдельно. Модели данной фирмы выпускаются мощностью от 250 до 450 Вт.

Кроме увеличения общей генерации солнечной электростанции на 12-25%, такая комбинация даёт возможность постепенно докупать новые солнечные панели, другой мощности и производителей.

Наноинверторы – следующий шаг

Эти устройства появились на рынке совсем недавно, и на потребительский рынок в изолированном виде ещё не вышли. Сфера их применения ограничена генерирующими фасадами и солнечной черепицей.

Первый представитель наноинверторов — BQ25504.

Размеры этого устройства всего 3 х 3 мм. Он работает с напряжением от нескольких микровольт. Самые «мощные» наноинверторы рассчитаны на обслуживание отдельных солнечных ячеек или небольших модулей, мощностью 10-50 Вт. Они тоже контролируют МРРТ, но за счёт более точной локализации, общая производительность каждой солнечной панели увеличивается на 30-70%!

Оптимизатор мощности – нестандартное решение израильтян

Стоимость микроинвертора осталась высокой потому что кроме преобразования постоянного тока в переменный, на устройство возлагалась дополнительная функция – отслеживание точки максимальной мощности. Израильский учёный, бывший полковник разведки Гай Селла, подошёл к решению задачи нестандартно, но крайне эффективно! В 2009 году, он спроектировал и разработал отдельное устройство, на которое возлагалось всего две задачи:

1. Отслеживание точки максимальной мощности;
2. Выравнивание выходного напряжения (преобразователь DC/DC).

А инвертор в этой топологии отвечает только за преобразование тока из постоянного в переменный!

Идея оказалась чрезвычайно простой и востребованной. Компания уже в первый год работы отгрузила потребителям четверть миллиона оптимизаторов. А также начала производить инверторы под свои комплектующие.

Работа оптимизаторов строится следующим образом. Небольшое устройство фиксируется под каждой солнечной панелью, которую оно и контролирует.

Одновременно, оптимизатор выравнивает выходное напряжение под единый стандарт, и подаёт его на общий кабель, который уже подключен к инвертору.

Стоимость оптимизатора, в зависимости от мощности варьируется от 30 до 45 долларов. Но инвертор стоит дешевле, так как его устройство лишено нетипичных функций. Подобная схема подключения сделала возможным телеметрию каждой солнечной панели. Общая производительность солнечной электростанции укомплектованной оптимизаторами мощности увеличилась на 12-20%.

С оптимизаторами реализована модульность, т.е. возможно докупать солнечные панели разных производителей. Главное чтобы хватало мощности инвертора.

Гарантия на оптимизаторы 25 лет. Ведь там практически нечему ломаться.