Электростанции на микроинверторах

Одним из важнейших преимуществ солнечной электроэнергии (помимо экологичности, конечно) является возможность создания компактной электростанции, которая могла бы обслуживать индивидуальные потребности пользователей. Солнечные панели позволяют значительно экономить денежные средства, затрачиваемые на электроэнергию, а в некоторых случаях даже продавать излишки вырабатываемой такой станцией энергии (всё в пределах закона). К тому же, организация солнечной электростанции – это ещё и возможность снизить нагрузку на сеть в дневные часы жаркого времени года, когда она особенно увеличивается в связи с непрерывно работающими кондиционерами.

Ещё совсем недавно солнечные домашние электростанции представляли собой уменьшенные аналоги «больших» объектов энергетики, которые устанавливаются в чистом поле и требуют специального обслуживания. Это, конечно, помогало снизить затраты на разработку, но при этом лишало возможности оптимизировать энергетические решения. Теперь же домашние электростанции, вырабатывающие энергию из солнечного света, строятся по схемам, которые учитывают специфику подобных конструкций и их функционала.

Использование инверторов

Солнечные энергопанели вырабатывают постоянный ток. Номинальные цифры напряжения на выходе колеблются в пределах 12-48 В (показатели зависят от модели). Однако большинство электроприборов питается от переменного тока, так что для любой стандартной солнечной электростанции потребуется инвертор. Инвертор – это устройство, которое позволяет преобразовывать постоянный ток в переменный, а также осуществлять преобразование напряжения до требуемых показателей.

Кстати, многие домашние солнечные станции всё ещё используют принципы, задействованные у «больших» электростанций, несмотря на оптимизацию подхода к организации таких конструкций. Например, последовательное соединение панелей в стринг. Между концами стринга напряжение может достигать отметки в 600 В (постоянный ток). Для того чтобы адаптировать систему под домашнее использование, стринг подключают ко входу инвертора. В домашних станциях стринг чаще всего один (он представляет собой 50 соединённых панелей, каждая по 12 В – в общей сложности 600 В). Однако если речь идёт о крупных масштабах, то одним стрингом уже нельзя обойтись – в таком случае каждый из стрингов подключается к отдельному входу общего инвертора.

Подбор напряжения между концами стринга изначально основывался на задаче снижения стоимости оборудования. Высокое напряжение позволяет использовать инверторы с меньшим числом входов. Для бытового использования обычно выбирается один инвертор, имеющий один вход. Однако полупроводниковые приборы, которые могут работать с напряжением до 600 В постоянного тока, стоят не так дорого, а вот для более высоких напряжений их стоимость значительно увеличивается.

Минусы последовательного соединения

Несмотря на универсальность, система соединения панелей в стринг тоже имеет свои значительные недостатки. Например, если одна из панелей в стринге по какой-то причине выйдет из строя, то подача энергии прекратится от всего стринга на инвертор. Для «больших» электростанций такая поломка не является серьёзной проблемой, поскольку там сразу же обслуживающий персонал выявляется неисправный блок и меняет его. Рядовому же пользователю, не имеющему специальных навыков и образования, лезть на крышу, где его ждёт поломанное оборудование под напряжением в 600 В, небезопасно, мягко говоря. Придётся вызывать сервисную бригаду, которая вряд ли прибудет быстро и оперативно устранит поломку.

«Большие» солнечные электростанции обычно размещаются там, где солнечным панелям не грозит затенение. Компактные бытовые конструкции чаще всего размещаются на крыше или на открытом участке перед домом, где не бывает тени ни утром, ни днём, ни на закате. Если на панель падает тень, то происходит снижение и выходного напряжения, и силы протекаемого через панель тока. Таким образом, если хотя бы одна панель была затенена, то и другие панели в стринге перейдут в неоптимальный режим работы и выдадут низкий КПД.

Если в светлое время суток возникнет пожар, то выработка электроэнергии продолжится, так что и объект будет находиться под напряжением в 600 В. Практика знает множество случаев, когда при тушении дома, на котором установлены солнечные батареи, фиксировались поражения электрическим током пожарных, пытающихся пробраться к источнику возгорания. Большинство таких ситуаций зафиксировано в странах, где широко применяются солнечные панели. Так что в США, например, имеется обязательное правило: если в доме установлена солнечная электростанция, то следует оборудовать её системой, снижающей при пожаре напряжение внутри массива панелей до значения не более 30 В. В качестве таких регуляторов можно использовать, например, контакторы, которые при пожаре разрывают электросоединение между панелями.

Функция автоматического отслеживания точки максимальной мощности

Представим себе, что выход солнечной панели накоротко замкнут (не стоит проводить такие эксперименты на практике, поскольку это может привести к перегреву солнечной панели при намеренном коротком замыкании). В таком случае напряжение на выходе будет равно нулю, равно как и мощность, отдаваемая в нагрузку, будет равна нулю, хотя через перемычку идёт ток короткого замыкания. Или другая ситуация: на выходе нет нагрузки, значение напряжения максимально, но мощность, даваемая панелью, вновь равна нулю, поскольку нулю равен и ток.

Эти две крайности имеют определённое оптимальное сочетание тока и напряжения в нагрузке, при которой удаётся достичь максимальных показателей выходной мощности для заданной освещённости. Такое сочетание называют точкой максимальной мощности (МРР — Maximum Power Point). Функция же, которая позволяет отслеживать автоматически такую точку, называется МРРТ (Maximum Power Point Tracking).

Если функция МРРТ включена, то выходное напряжение в инверторе останется стабильным. Автоматически настроятся и ток нагрузки панели, и коэффициент передачи напряжения в инверторе. Использование системы МРРТ даёт возможность получить от той же панели примерно 30% дополнительной электроэнергии.

Точка максимальной мощности зависит от множества факторов. На неё влияют, например, параметры износа панели, температурные показатели окружающей среды, освещённость и т.д. Организовывать МРРТ для каждой панели индивидуально при наличии последовательного соединения – задача сложная и далеко не бюджетная. Так что, если в солнечной электространции имеется больше одной панели и применяется последовательное их соединение, то лучше сразу организовывать МРРТ на уровне стринга.

Использование микроинверторов

Инверторы, которые применяются при работе только с одной солнечной панелью, называются микроинверторами. Максимальная мощность одной панели обычно не превышает 670 В. Для солнечных панелей бытового использования этот параметр составляет 150-250 Вт. Небольшая выходная мощность позволяет создать инвертор, имеющий компактные размеры и небольшую массу (поскольку не требуется система принудительного охлаждения). От такого устройства не будет акустического шума, ему не нужны особые условия для работы и разместить его можно прямо под солнечной панелью.

Выходное напряжение микроинверторов достигает отметки в 230 В переменного тока (всё зависит от стандартов напряжения в стране). Генерация точно синхронизирована с сетью. Соединяются устройства параллельно друг с другом и сетевым вводом. Для того чтобы отслеживать работу устройств и управлять ими, применяется специальный блок, который обменивается данными с микроинверторами по кабелю или по беспроводному соединению. Если будет выявлена какая-либо неисправность в отдельной панели, то она автоматически будет отключена, а электростанция продолжит работу (просто мощность станции снизится).

Плюсы и минусы микроинверторов

Конструкция микроинвертора не имеет движущихся элементов. Вместо электрических конденсаторов, которые встроены в стандартные инверторы, используются более износостойкие плёночные конденсаторы. Отсюда и заявочные показатели продолжительности работы таких устройств от 25 лет и более (для сравнения: стандартные модели служат 10-15 лет).

В России имеются все компоненты для производства микроинверторов, в то время как стандартные инверторы, которые обеспечивают работу нескольких солнечных батарей, содержат в себе мощные полупроводниковые приборы, производящиеся за границей.

Микроинверторы позволяют рядовому пользователю в любое время нарастить мощность электростанции путём параллельного подключения к уже имеющемуся оборудованию дополнительных панелей и дополнительных микроинверторов, соответственно.

Если вдруг возникнет пожар, то по сигналу от датчиков возгорания или от пульта управления можно будет прекратить работу микроинверторов и разорвать соединение с сетью. По сути, защита от удара током пожарных уже включена в систему, так что вам не нужно самостоятельно что-то подключать или добавлять в электростанцию.

Есть, конечно, у таких устройств и свои минусы. Например, стоимость массива микроинверторов будет значительно выше, чем равного им по мощности стандартного инвертора. Однако стоит учесть, что стандартный инвертор придётся сразу покупать с запасом мощности, поскольку при апгрейде солнечной станции придётся менять инвертор полностью, если его мощности окажется недостаточно.

Ещё одной проблемой является тот факт, что на данный момент солнечные электростанции, организованные на основе микроинверторов, принадлежат пока только к сетевому типу. Так что для того чтобы они работали, придётся подключиться к электросети. Если электричества, вырабатываемого панелями, для питания нагрузки окажется недостаточно, то энергия будет частично взята из сети. А если появятся излишки энергии, то они будут поставляться в сеть (микрогенерация). Так что пока экономически нецелесообразно применение микроинверторов в автономных и гибридных солнечных электростанциях.

И всё же стоит отметить, что пока электростанции сетевого типа считаются наиболее доступным вариантом солнечной генерации для бытового применения. Тут учитываются и простота установки, и оптимизация процесса, и универсальность.