Солнечный микроинвертор - Solar micro-inverter

Солнечный микроинвертор.

Солнечная microinverter , или просто microinverter , плагин и играть устройство , используемое в фотоэлектрических , который преобразует постоянный ток (DC) , порожденный одним солнечного модулем на переменный ток (AC). Микроинверторы контрастируют с обычными струнными и центральными солнечными инверторами , в которых один инвертор подключен к нескольким солнечным панелям. Выход нескольких микроинверторов можно комбинировать и часто направлять в электрическую сеть .

Микроинверторы имеют ряд преимуществ перед обычными инверторами. Основным преимуществом является то, что они электрически изолируют панели друг от друга, поэтому небольшое количество затенения, обломков или снежных линий на любом одном солнечном модуле или даже полный отказ модуля не приводят к непропорциональному снижению выходной мощности всего массива. Каждый микроинвертор собирает оптимальную мощность за счет отслеживания точки максимальной мощности (MPPT) для подключенного модуля. Простота конструкции системы, провода с меньшим током, 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 должен быть установлен рядом с панелью (обычно на крыше). Это также усложняет их обслуживание и делает их более дорогостоящими для удаления и замены. Некоторые производители решили эти проблемы с панелями со встроенными микроинверторами. Микроинвертор часто имеет более длительный срок службы, чем центральный инвертор, который потребует замены в течение срока службы солнечных панелей. Следовательно, финансовый недостаток на первых порах может стать преимуществом в долгосрочной перспективе.

Оптимизатор мощности является типом технологии , похожей на microinverter , а также делает отслеживание точки максимальной мощности панели уровня, но не преобразуется в переменный ток для каждого модуля.

Описание

Струнный инвертор

Солнечные батареи вырабатывают постоянный ток с напряжением, 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 к работе на 24-50 В).

Для преобразования в переменный ток панели могут быть соединены последовательно для создания массива, который фактически представляет собой одну большую панель с номинальным напряжением от 300 до 600 В постоянного тока. Затем питание подается на инвертор, который преобразует его в стандартное переменное напряжение, обычно 230 В переменного тока / 50 Гц или 240 В переменного тока / 60 Гц.

Основная проблема с подходом «инвертор струны» состоит в том, что цепочка панелей действует так, как если бы это была одна большая панель с максимальным номинальным током, эквивалентным самому низкому исполнителю в цепочке. Например, если одна панель в цепочке имеет на 5% большее сопротивление из-за незначительного производственного дефекта, вся цепочка страдает 5% -ной потерей рабочих характеристик. Это динамичная ситуация. Если панель затенена, ее вывод резко падает, что влияет на вывод строки, даже если другие панели не затенены. Таким образом, даже незначительные изменения ориентации могут вызвать потерю вывода. В промышленности это известно как «эффект рождественских огней», относящийся к тому, как целая цепочка последовательно соединенных рождественских елок 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 шунтирующими диодами модуля . Исследования оттенков, проведенные крупными компаниями, производящими микроинверторы и оптимизаторы постоянного тока, показывают небольшой ежегодный прирост в светлых, средних и сильных затемненных условиях - 2%, 5% и 8% соответственно - по сравнению с более старыми струнными инверторами.

Кроме того, на эффективность вывода панели сильно влияет нагрузка, которую инвертор возлагает на нее. Чтобы максимизировать производительность, инверторы используют метод, называемый отслеживанием точки максимальной мощности, чтобы обеспечить оптимальный сбор энергии за счет регулировки приложенной нагрузки. Однако те же проблемы, которые приводят к изменению вывода от панели к панели, влияют на правильную нагрузку, которую должна применять система MPPT. Если одна панель работает в другой точке, инвертор струны может видеть только общее изменение и перемещает точку MPPT для соответствия. Это приводит к потерям не только на затененной панели, но и на других панелях. Затенение всего 9% поверхности массива в некоторых случаях может снизить энергопотребление всей системы на 54%. Однако, как указывалось выше, эти ежегодные потери урожая относительно невелики, и новые технологии позволяют некоторым инверторам струн значительно уменьшить эффекты частичного затенения.

Другая проблема, хотя и незначительная, заключается в том, что строковые инверторы доступны с ограниченным набором номиналов мощности. Это означает, что данный массив обычно увеличивает размер инвертора до следующей по величине модели по сравнению с номиналом массива панелей. Например, 10-панельный массив мощностью 2300 Вт, возможно, придется использовать инвертор на 2500 или даже 3000 Вт, заплатив за возможность преобразования, которую он не может использовать. Эта же проблема затрудняет изменение размера массива с течением времени, добавляя мощности при наличии средств (модульность). Если заказчик изначально приобрел инвертор мощностью 2500 Вт для своих панелей мощностью 2300 Вт, он не может добавить даже одну панель без перегрузки инвертора. Однако такое завышение размеров считается обычной практикой в ​​сегодняшней отрасли (иногда на 20% выше номинальной, указанной на паспортной табличке инвертора), чтобы учесть ухудшение характеристик модуля, более высокую производительность в зимние месяцы или более высокую отдачу от продажи коммунальному предприятию.

Другие проблемы, связанные с централизованными инверторами, включают пространство, необходимое для размещения устройства, а также требования к рассеиванию тепла. Большие центральные инверторы обычно активно охлаждаются. Вентиляторы охлаждения издают шум, поэтому необходимо учитывать расположение инвертора относительно офисов и жилых помещений. А поскольку вентиляторы имеют движущиеся части, грязь, пыль и влага могут со временем негативно повлиять на их работу. Струнные инверторы работают тише, но могут издавать гудящий шум ближе к вечеру, когда инвертор понижает мощность.

Микроинвертор

Микроинверторы - это небольшие инверторы, рассчитанные на обработку вывода одной панели или пары панелей. Панели с сеткой обычно имеют номинальную мощность от 225 до 275 Вт, но на практике это редко бывает, поэтому микроинверторы обычно имеют номинальную мощность от 190 до 220 Вт (иногда 100 Вт). Поскольку он работает на этой более низкой точке мощности, многие конструктивные проблемы, присущие более крупным проектам, просто исчезают; необходимость в большом трансформаторе, как правило, устраняется, большие электролитические конденсаторы могут быть заменены более надежными тонкопленочными конденсаторами, а охлаждающая нагрузка снижается, поэтому вентиляторы не требуются. Средняя наработка на отказ (MTBF) исчисляется сотнями лет.

Микроинвертор, прикрепленный к одной панели, позволяет изолировать и настраивать выход этой панели. Любая недостаточно эффективная панель не влияет на панели вокруг нее. В этом случае массив в целом производит на 5% больше энергии, чем при использовании строкового инвертора. При учете затенения, если оно присутствует, этот выигрыш может стать значительным: производители обычно заявляют как минимум на 5% лучше, а в некоторых случаях - на 25%. Кроме того, одну модель можно использовать с широким спектром панелей, новые панели могут быть добавлены в массив в любое время, и они не обязательно должны иметь тот же рейтинг, что и существующие панели.

Микроинверторы вырабатывают мощность переменного тока, согласованную с сетью, непосредственно на задней стороне каждой солнечной панели. Массивы панелей подключаются параллельно друг другу, а затем в сетку. Это имеет главное преимущество в том, что одна неисправная панель или инвертор не может отключить всю цепочку. В сочетании с более низкой мощностью и тепловыми нагрузками и улучшенным MTBF некоторые предполагают, что 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 цепных инверторов. Кроме того, при возникновении ошибок их можно идентифицировать по одной точке, а не по всей строке. Это не только упрощает локализацию сбоев, но и выявляет мелкие проблемы, которые в противном случае не могли бы стать видимыми - одна недостаточно эффективная панель может не повлиять на вывод длинной строки в достаточной степени, 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 это на меньшую номинальную мощность, затраты на ватт больше. Это сводит на нет любое преимущество 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 струнных инверторов, экономические соображения вынуждают производителей ограничивать количество выпускаемых ими моделей. Большинство из них выпускают одну модель, размер которой может быть больше или меньше, когда он сочетается с определенной панелью.

Во многих случаях упаковка может существенно повлиять на цену. С центральным инвертором у вас может быть только один набор панельных соединений для десятков панелей, один выход переменного тока и одна коробка. Для установок с микроинверторами размером более 15 панелей может также потребоваться установленный на крыше блок выключателя «сумматор». Это может добавить к общей цене за ватт.

Чтобы еще больше снизить затраты, некоторые модели управляют двумя или тремя панелями от инвертора, уменьшая упаковку и связанные с этим затраты. Некоторые системы помещают два целых микроконтроллера в одну коробку, в то время как другие дублируют только секцию MPPT системы и используют один каскад постоянного тока в переменный для дальнейшего снижения затрат. Некоторые предполагают, что такой подход сделает микроинверторы сопоставимыми по стоимости с теми, в которых используются струнные инверторы. При неуклонном снижении цен, внедрении двойных микроинверторов и появлении более широкого выбора моделей для более точного соответствия выходной мощности фотоэлектрических модулей стоимость становится меньшим препятствием.

Микроинверторы стали обычным явлением там, где размеры массивов невелики, и повышение производительности каждой панели является проблемой. В этих случаях разница в цене за ватт сводится к минимуму 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 были наиболее успешными на рынке жилой недвижимости, где ограниченное пространство для панелей ограничивает размер массива, а затемнение от ближайших деревьев или других объектов часто является проблемой. Производители микроинверторов перечисляют множество установок, некоторые из которых имеют размер одной панели, а большинство - до 50.

Недостатком микроинверторов, о котором часто забывают, являются связанные с ними будущие расходы на эксплуатацию и техническое обслуживание. Хотя с годами технология улучшалась, факт остается фактом: устройства в конечном итоге либо выйдут из строя, либо изнашиваются. Установщик должен уравновесить эти затраты на замену (около 400 долларов на рулон грузовика), повышенные риски для безопасности персонала, оборудования и стеллажа модулей с размером прибыли для установки. Для домовладельцев возможный износ или преждевременный выход устройства из строя приведет к потенциальному повреждению черепицы или черепицы, материальному ущербу и другим неприятностям.

Преимущества

Хотя микроинверторы обычно имеют более низкий КПД, чем струнные инверторы, общая эффективность повышается за счет того, что каждый инвертор / блок панели действует независимо. В строковой конфигурации, когда панель на ряду затенена, вывод всей строки панелей сокращается до вывода самой низкой производящей панели. Это не относится к микро инверторам.

Еще одно преимущество заключается в качестве вывода на панель. Номинальная производительность любых двух панелей в одном производственном цикле может отличаться на 10% и более. Это смягчается конфигурацией микроинвертора, но не строковой конфигурацией. Результатом является получение максимальной мощности от массива микроинверторов.

Системы с микроинверторами также можно легче менять, когда потребности в мощности растут или уменьшаются с течением времени. Поскольку каждая солнечная панель и микроинвертор представляет собой небольшую собственную систему, она действует до определенной степени независимо. Это означает, что добавление одной или нескольких панелей просто обеспечит больше энергии, пока группа слитого электричества в доме или здании не выходит за свои пределы. Напротив, для инверторов на основе цепочек размер инвертора должен соответствовать количеству панелей или величине пиковой мощности. Выбор струн-инвертора увеличенного размера возможен, когда предусматривается расширение в будущем, но такое положение на неопределенное будущее увеличивает затраты в любом случае.

Мониторинг и обслуживание также проще, поскольку многие производители микроинверторов предоставляют приложения или веб-сайты для контроля выходной мощности своих устройств. Во многих случаях они являются собственностью; Тем не менее, это не всегда так. После кончины Enecsys и последующего закрытия их сайта; Появился ряд частных сайтов, таких как Enecsys-Monitoring, чтобы владельцы могли продолжать контролировать свои системы.

Трехфазные микроинверторы

Для эффективного преобразования мощности постоянного тока в переменный требуется, чтобы инвертор накапливал энергию от панели, пока напряжение переменного тока в сети близко к нулю, а затем снова отпускал ее при повышении. Это требует значительного накопления энергии в небольшом корпусе. Самым дешевым вариантом для требуемого объема накопителя является электролитический конденсатор, но он имеет относительно короткий срок службы, обычно измеряемый годами, и этот срок службы короче при работе в горячем состоянии, например, на солнечной панели на крыше. Это привело к значительным усилиям разработчиков микроинверторов, которые ввели различные топологии преобразования с пониженными требованиями к хранению данных, в некоторых из которых, где возможно , используются гораздо менее производительные, но гораздо более долговечные тонкопленочные конденсаторы .

Еще одно решение проблемы - трехфазная электроэнергия . В трехфазной цепи мощность не изменяется между (скажем) от +120 до -120 В между двумя линиями, а вместо этого изменяется от 60 до +120 или от -60 до -120 В, а периоды изменения намного короче. . Инверторы, предназначенные для работы в трехфазных системах, требуют гораздо меньше памяти. Трехфазный микроконтроллер, использующий переключение при нулевом напряжении, также может предложить более высокую плотность схемы и более дешевые компоненты, одновременно повышая эффективность преобразования до более чем 98%, что выше, чем у типичного однофазного пика около 96%.

Однако трехфазные системы обычно встречаются только в промышленных и коммерческих условиях. На этих рынках обычно устанавливаются массивы большего размера, где чувствительность к цене наиболее высока. Использование трехфазных микросхем, несмотря на любые теоретические преимущества, оказывается очень низким.

Защита

Защита микроинверторов обычно включает: защиту от островков ; 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 неизменные затраты на производство, такие как стоимость трансформатора или корпуса, выгодно увеличивались 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 другие, но это были просто небольшие версии более крупных конструкций с плохой ценой и были нацелены на нишевые рынки.

Ранние примеры

Выпущенный в 1993 году, Mastervolt Sunmaster 130S стал первым настоящим микроинвертором.
Еще один ранний микроинвертор, OK4E-100 1995 года - E для Европы, 100 на 100 Вт.

В 1991 году американская компания Ascension Technology начала работу над уменьшенной версией традиционного инвертора, предназначенной для установки на панели для формирования панели переменного тока . Эта конструкция была основана на обычном линейном регуляторе, который не особенно эффективен и рассеивает значительное количество тепла. В 1994 году они отправили образец в Sandia Labs для тестирования. В 1997 году Ascension в партнерстве с американской компанией по производству панелей ASE Americas представила панель SunSine мощностью 300 Вт.

Дизайн, который сегодня был бы признан «настоящим» микроинвертором, ведет свою историю от работы Вернера Кляйнкауфа в конце 1980-х в ISET ( Institut für Solare Energieversorgungstechnik ), ныне Институт ветроэнергетики и энергетических систем им. Фраунгофера . Эти конструкции были основаны на современной технологии высокочастотных импульсных источников питания, которая намного эффективнее. Его работа над «модульными интегрированными преобразователями» оказала большое влияние, особенно в Европе.

В 1993 году Mastervolt представила свой первый сетевой инвертор Sunmaster 130S, основанный на совместных усилиях Shell Solar, Ecofys и ECN. 130 был разработан для крепления непосредственно к задней части панели, соединяя линии переменного и постоянного тока с помощью компрессионных фитингов . В 2000 году модель 130 была заменена на Soladin 120, микроинвертор в виде адаптера переменного тока, который позволяет подключать панели, просто вставив их в любую розетку .

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

Несмотря на это многообещающее начало, к 2003 году большинство этих проектов было завершено. Ascension Technology была куплена Applied Power Corporation, крупным интегратором. APC, в свою очередь, был куплен Schott в 2002 году, и производство SunSine было отменено в пользу существующих конструкций Schott. Компания NKF прекратила производство серии OK4 в 2003 году, когда закончилась программа субсидирования. Mastervolt перешла к линейке «мини-инверторов», сочетающих простоту использования 120 в системе, рассчитанной на поддержку панелей мощностью до 600 Вт.

Enphase

После краха Telecoms в 2001 году Мартин Форнадж 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 Enphase Energy , и в следующем году они применили свой опыт в области проектирования телекоммуникаций для решения проблемы инвертора.

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 частного капитала в размере 100 миллионов долларов Enphase быстро выросла до 13% рынка к середине 2010 года, нацелившись на 20% к концу года. . В начале 2011 года они отгрузили свой 500-тысячный инвертор, а в сентябре того же года - 1000000-й. В начале 2011 года они объявили, что ребрендированные версии нового дизайна будут продаваться Siemens напрямую подрядчикам по электрике 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 в значительной степени покинули пространство. Многие продукты были идентичны M190 по техническим характеристикам и даже по корпусу и деталям крепления. Некоторые выделяются, конкурируя лицом к лицу с Enphase по цене или производительности, в то время как другие атакуют нишевые рынки.

В эту сферу также вошли более крупные фирмы: SMA , Enecsys и iEnergy .

OKE-Services обновили продукт OK4-All был куплен SMA в 2009 году и выпущен как SunnyBoy 240 после продолжительного периода созревания, в то время как Power-One представила AURORA 250 и 300. Другими крупными игроками примерно в 2010 году были Enecsys и SolarBridge Technologies , особенно вне рынка Северной Америки. В 2021 году в США будет выпущен единственный микроинвертор от Chilicon Power. С 2009 года несколько компаний от Европы до Китая, в том числе основные 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 микроинверторов, включая трехфазный YC1000 с выходной мощностью переменного тока до 1130 Вт.

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

В июле 2021 года в список известных фотоэлектрических компаний, которые вступили в партнерские отношения с компаниями по производству микроинверторов для производства и продажи солнечных панелей переменного тока, входят Siemens , Trina Solar , BenQ , LG , Canadian Solar , Suntech , SunPower , NESL , Hanwha SolarOne , Sharp .

Снижение цен

Период с 2009 по 2012 год характеризовался беспрецедентным снижением цен на фотоэлектрическом рынке. В начале этого периода оптовые цены на панели, как правило, 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 инверторы струн - по цене от 30 до 35 центов / Вт. Для сравнения, микроинверторы оказались относительно невосприимчивыми к подобным видам снижения цен: с 65 центов / Вт до 50-55 с учетом кабельной разводки. Это может привести к увеличению потерь, поскольку поставщики пытаются оставаться конкурентоспособными.

Смотрите также

Примечания

использованная литература

Цитаты
Библиография

внешние ссылки