Фотоэлектрлік инверторлар және олардың жұмыс принципі

Кіріспе

Фотоэлектрлік панельдің шығысын желілік жиілікті айнымалы токқа түрлендіреді.

Күн инверторы немесе фотоэлектрлік (ФЭ) инверторы – фотоэлектрлік күн панелінің өзгермелі тұрақты тогын (DC) желілік жиілікті айнымалы токқа (AC) түрлендіретін қуат инверторының бір түрі. Ол коммерциялық электр желісіне қоректендірілуі немесе жергілікті, желіден тыс электр желісінде қолданылуы мүмкін. Бұл фотоэлектрлік жүйедегі жүйелік тепе-теңдіктің (BOS) маңызды компоненті, ол қарапайым айнымалы токпен жұмыс істейтін жабдықтарды пайдалануға мүмкіндік береді. Күн энергиясының инверторлары фотоэлектрлік массивтермен пайдалану үшін арнайы функцияларға ие, соның ішінде ең жоғары қуат нүктесін бақылау және оқшаулануға қарсы қорғау.

Ең жоғары қуат нүктесін бақылау

Күн инверторлары PV массивінен максималды мүмкін қуат алу үшін ең жоғары қуат нүктесін қадағалау (MPPT) жүйесін пайдаланады. Күн элементтерінің күн сәулеленуі, температурасы және жалпы кедергісі арасындағы күрделі байланыс бар, ол I-V қисығы деп аталатын сызықтық емес шығыс тиімділігін тудырады. MPPT жүйесінің мақсаты – элементтердің шығысын өлшеп, кез келген қоршаған орта жағдайларында максималды қуат алу үшін кедергіні (жүктемет) анықтау. Толықтыру коэффициенті, көбінесе оның аббревиатурасы FF арқылы белгілі, панельдің ашық тізбек кернеуімен (Voc) және қысқа тізбек тогымен (Isc) бірге күн элементінен максималды қуатты анықтайтын параметр. Толықтыру коэффициенті күн элементінен максималды қуаттың Voc және Isc көбейтіндісіне қатынасы ретінде анықталады. MPPT алгоритмдерінің үш негізгі түрі бар: іздеу және бақылау, инкременттік өткізгіштік және тұрақты кернеу. Бірінші екі әдіс көбінесе «дөңгелекке көтерілу» әдістері деп аталады; олар қуаттың кернеуге қарсы сызылған қисығының максималды қуат нүктесінің сол жағында өсуіне және оң жағында төмендеуіне сүйенеді.

Күндізгі сорғы инверторлары

Күн энергиясын сорғылаудың озық инверторлары күн панелінен түсетін тұрақты ток кернеуін айнымалы ток кернеуіне түрлендіреді, артықшылығы – батареялар немесе басқа энергия сақтау құрылғыларының қажеті болмай, суасты сорғыларын тікелей іске қосады. MPPT (максималды қуат нүктесін іздеу) технологиясын қолдану арқылы, күн сорғы инверторлары сорғы жылдамдығын басқару үшін шығыс жиілігін реттейді, сорғы моторының зақымдануын болдырмайды. Күн сорғы инверторлары әдетте фотоэлектрлік панельдерден түсетін тұрақты токпен жұмыс істеуге арналған бірнеше порттарға, айнымалы ток шығаруға арналған портқа және су деңгейі сенсорынан сигнал қабылдауға арналған қосымша портқа ие.

Үш фазалы инвертор

Үш фазалы инвертор – бұл үш фазалы электр қуатын беруге арналған күн микроинверторларының бір түрі. Бір фазалы қуатпен жұмыс істейтін дәстүрлі микроинвертор конструкцияларында панельден алынған энергия кернеу нөлге екі рет өткен кезде (50 немесе 60 Гц жиілігінде цикл бойы) сақталуы тиіс. Ал үш фазалы жүйеде цикл бойы үш сымның бірі оң (немесе теріс) кернеуге ие болады, сондықтан панельдің қуатын әр циклде әртүрлі сымдарға ауыстыру арқылы энергияны сақтау қажеттілігін күрт азайтуға болады. Энергияны сақтау көлемінің азаюы инвертор аппараттық құралдарының бағасын және күрделілігін едәуір төмендетіп, оның қызмет ету мерзімін ұзартады.

Өмірбаян

Әдеттегі айнымалы ток қуаты – белгілі бір кезеңде қайталанатын синусоидты кернеу үлгісі. Яғни, бір цикл ішінде кернеу нөлдік деңгейден екі рет өтеді. Еуропалық жүйелерде розеткадағы кернеудің максималды шамасы 230 В құрайды және секундына 50 циклдік жиілікпен өзгереді, демек кернеу секундына 100 рет нөлге жетеді. Ал Солтүстік Америка жүйелерінде бұл көрсеткіш 120 В, 60 Гц, яғни секундына 120 рет нөлдік кернеу байқалады. Арзан инверторлар тұрақты токты айнымалы токқа түрлендіру үшін, тұрақты ток тізбегін секундына 120 рет қосып-өшіру арқылы, әр екінші циклде кернеуді өзгертеді. Соның нәтижесінде, көптеген құрылғылар үшін айнымалы токқа жақын келетін тіктөртбұрышты толқын пайда болады. Дегенмен, мұндай шешім күн энергиясы саласында тиімді емес, себебі мақсат – күннен алынған энергияны мүмкіндігінше көп айнымалы токқа түрлендіру. Егер осы арзан инверторлар қолданылса, тұрақты ток тізбегі өшірілген кезде пайда болған барлық қуат ысырап болады, бұл әр циклдің маңызды бөлігін құрайды. Бұл мәселені шешу үшін күн инверторлары энергияны сақтаудың белгілі бір механизмін пайдаланады, ол панельдің қуатын нөлдік деңгейден өтетін сәттерде буферлеуге мүмкіндік береді. Айнымалы ток кернеуі сақтағыштағы кернеуден жоғары болғанда, ол сол кезде панельден түсетін энергиямен бірге шығысқа беріледі. Осылайша, панельдің бір цикл бойы өндірген энергиясы ақырында шығысқа жіберіледі. Алайда, бұл тәсілдің бір кемшілігі бар: қазіргі заманғы күн панеліне қосылған кезде қажетті энергияны сақтау көлемін экономикалық тұрғыдан тек электролиттік конденсаторлар арқылы қамтамасыз етуге болады. Бұл конденсаторлар салыстырмалы түрде арзан, бірақ олардың тозу механизмі белгілі, яғни олардың қызмет ету мерзімі шамамен он жылды құрайды. Бұл салада микроинверторлардың пайдалылығы туралы қызу пікірталас тудырды, өйткені конденсаторлар тозу кезеңіне жеткенде, оларды ауыстыру үшін панельдерді демонтаждау қажет болады, көбінесе шатырдан.

Conventional alternating current power is a sinusoidal voltage pattern that repeats over a defined period. That means that during a single cycle, the voltage passes through zero two times. In European systems the voltage at the plug has a maximum of 230 V and cycles 50 times a second, meaning that there are 100 times a second where the voltage is zero, while North American derived systems are 120 V 60 Hz, or 120 zero voltages a second. Inexpensive inverters can convert DC power to AC by simply turning the DC side of the power on and off 120 times a second, inverting the voltage every other cycle. The result is a square wave that is close enough to AC power for many devices. However, this sort of solution is not useful in the solar power case, where the goal is to convert as much of the power from the solar power into AC as possible. If one uses these inexpensive types of inverters, all of the power generated during the time that the DC side is turned off is simply lost, and this represents a significant amount of each cycle. To address this, solar inverters use some form of energy storage to buffer the panel's power during those zero crossing periods. When the voltage of the AC goes above the voltage in the storage, it is dumped into the output along with any energy being developed by the panel at that instant. In this way, the energy produced by the panel through the entire cycle is eventually sent into the output. The problem with this approach is that the amount of energy storage needed when connected to a typical modern solar panel can only economically be provided through the use of electrolytic capacitors. These are relatively inexpensive but have well known degradation modes that mean they have lifetime expectancy on the order of a decade. This has led to a great debate in the industry over whether or not microinverters are a good idea, because when these capacitors start to fail at the end of their expected life, replacing them will require the panels to be removed, often on the roof.

Үш фазалы

Екі сымды тұрмыстық токпен салыстырғанда, электр желісінің беру бөлігіндегі ток үш сым мен фазаны қолданады. Кез келген уақытта осы үш фазаның қосындысы әрқашан оң (немесе теріс) болады. Сондықтан, үш фазалы жүйедегі кез келген сым тұрмыстық ток сияқты дәл сол нөлдік өту оқиғаларын бастан өткерсе де, жүйе тұтастай алғанда мұндай болмайды, ол жай ғана ең жоғары және сәл төменгі мәндер арасында ауытқиды. Үш фазалы қуат көзіне арналған микроинвертор, кез келген уақытта өзінің жұмыс кернеуіне ең жақын сымды таңдау арқылы қажетті сақтаудың көп бөлігін жоюға мүмкіндік береді. Жай жүйе ең жоғары кернеуге жақын сымды таңдап, ол ең жоғары кернеуге жақындағанда келесі желіге ауыса алады. Бұл жағдайда жүйеге циклдің ең жоғары нүктесінен ең төменгі нүктесіне дейінгі энергияны сақтау жеткілікті, бұл кернеу айырмашылығы және уақыт жағынан әлдеқайда аз. Бұл одан да жақсартылуы мүмкін, егер бір-ақ уақыт санауымен ауысудың орнына, кез келген уақытта өзінің тұрақты ток кернеуіне ең жақын сымды таңдаса. Кез келген уақытта үш сымның екеуінде оң (немесе теріс) кернеу болады, ал тұрақты ток жағына жақын сымды пайдалану конверсиялық жабдықтың тиімділігін сәл арттырады. Энергияны сақтау қажеттілігін азайту немесе толығымен жою құрылғыны жеңілдетеді және оның қызмет ету мерзімін анықтайтын жалғыз компонентті жояды. Он жылдың орнына, үш фазалы микроинвертор панельдің өмір бойына жұмыс істеуі мүмкін. Мұндай құрылғы арзан әрі аз күрделі болады, бірақ әр инвертордың үш желіге де қосылуын қажет етеді, бұл сымдардың көбеюіне әкелуі мүмкін.

Кемшіліктер

Үш фазалы инвертордың басты кемшілігі – осы жүйелерді тек үш фазалы қуат көзі бар объектілер ғана пайдалана алады. Үш фазалы қуат жеңілдікпен коммуналдық және коммерциялық объектілерде қолжетімді, сондықтан жүйелер осы нарықтарға бағытталған. Дегенмен, микроинвертор тұжырымдамасының негізгі артықшылықтары көлеңке түсу және панельдердің бағыты мәселелерімен байланысты, ал ірі жүйелерде бұл мәселелерді панельдерді орын ауыстыру арқылы оңай шешуге болады. Үш фазалы микроинвертордың артықшылықтары тұрғын үйлердегі шектеулі кеңістіктегі жағдаймен салыстырғанда өте шектеулі. 2014 жылғы мәліметтер бойынша, сарапшылар үш фазалы микроинверторлардың бағасы олардың артықшылықтарын ақтауға жеткілікті деңгейге әлі де жете қоймаған деп санайды. Сонымен қатар, үш фазалы микроинверторларды монтаждау құны жоғары болуы күтілуде.

Бірлескен кезеңдер

Үш фазалы инверторды үш бір фазалы микроинвертормен салыстыру маңызды, олар үш фазалы шығыс үшін сымдар арқылы қосылған. Екіншісі – көптеген инвертор конструкцияларында кездесетін жиі кездесетін мүмкіндік, ол үш бірдей инверторды үш фазалы тізбектегі сымдар жұбына қосуға мүмкіндік береді. Нәтижесінде үш фазалы қуат алынады, бірақ жүйедегі әрбір инвертор бір фазалы қуат шығарады. Мұндай шешімдер жоғарыда айтылған энергияны сақтау қажеттілігін азайту мүмкіндігін пайдаланбайды.

Күн микроинвертерлері

Күн микроинверторы – бір PV модулімен жұмыс істеуге арналған инвертор. Микроинвертор әрбір панельдің тұрақты ток шығысын айнымалы токқа айналдырады. Оның құрылымы модульдік түрде бірнеше тәуелсіз бірліктерді қатар қосуға мүмкіндік береді. Микроинверторлардың артықшылықтарына бір панельдік қуатты оңтайландыру, әр панелдің тәуелсіз жұмыс істеуі, плагинді орнату, орнатуды жақсарту және өрт қауіпсіздігі, жүйелік жобалаумен шығындарды азайту және қорды азайту жатады. 2011 жылы Аппалачиан мемлекеттік университетінде жүргізілген зерттеуде жеке интеграцияланған инвертордың орнатылуы бір инверторды қолдана отырып, тізбекті қосылған орнатумен салыстырғанда көлеңкесіз жағдайларда 20%-ға көп қуат және көлеңкелі жағдайларда 27%-ға көп қуат беретіндігі айтылды. Екі құрылғыда да бірдей күн батареялары қолданылған. Күн микроинверторы немесе жай ғана микроинвертор – бұл фотоэлектрлік жүйеде қолданылатын, бір күн модулімен шығарылған тұрақты токты (DC) айнымалы токқа (AC) айналдыратын плагиндік құрылғы. Микроинверторлар дәстүрлі тізбекті және орталық күн инверторларынан өзгеше, онда бір инвертор бірнеше күн панельдеріне қосылады. Бірнеше микроинверторлардың шығысы біріктірілуі мүмкін және көбінесе электр желісіне беріледі. Микроинверторлардың дәстүрлі инверторларға қарағанда бірнеше артықшылығы бар. Олардың басты артықшылығы – олар панельдерді бір-бірінен электрлік түрде оқшаулайды, сондықтан кез келген күн модульіндегі көлеңке, қалдықтар немесе қар сызықтары, тіпті модульдің толық ақаулығы бүкіл массивтің шығысын шамадан тыс азайтпайды. Әрбір микроинвертор қосылған модульдің ең жоғары қуат нүктесін бақылау (MPPT) арқылы ең жоғары қуатты алады. Жүйенің қарапайымдылығы, төменгі амперлі сымдар, қорды басқаруды жеңілдету және қауіпсіздікті арттыру – микроинвертор шешімінде енгізілген басқа факторлар. Микроинвертордың негізгі кемшіліктері орталық инвертордың баламалы қуатына қарағанда жоғары бастапқы жабдықтың құны болып табылады, өйткені әрбір инвертор панельге (әдетте шатырға) іргелес орнатылуы керек. Бұл оларды күтіп ұстауды қиындатады және оларды алып тастау мен ауыстыруды қымбат етеді. Кейбір өндірушілер бұл мәселелерді микроинверторларға салынған панельдермен шешті. Микроинвертордың қызмет ету мерзімі орталық инверторға қарағанда ұзақ болады, сондықтан күн батареяларының қызмет ету мерзімі ішінде оны ауыстыру қажет. Сондықтан бастапқыда қаржылық қиындықтар ұзақ мерзімде пайдаға айналуы мүмкін. Қуаттылықты оптимизатор – микроинверторға ұқсас технологияның түрі, сонымен қатар қуаттылықты оптимизатор панель деңгейіндегі ең жоғары қуат нүктесін қадағалайды, бірақ модульге AC түріне айналдырмайды.

Solar micro inverter is an inverter designed to operate with a single PV module. The micro inverter converts the direct current output from each panel into alternating current. Its design allows parallel connection of multiple, independent units in a modular way. Micro inverter advantages include single panel power optimization, independent operation of each panel, plug and play installation, improved installation and fire safety, minimized costs with system design and stock minimization. A 2011 study at Appalachian State University reports that individual integrated inverter setup yielded about 20% more power in unshaded conditions and 27% more power in shaded conditions compared to string connected setup using one inverter. Both setups used identical solar panels. A solar micro inverter, or simply microinverter, is a plug and play device used in photovoltaics that converts direct current (DC) generated by a single solar module to alternating current (AC). Microinverters contrast with conventional string and central solar inverters, in which a single inverter is connected to multiple solar panels. The output from several microinverters can be combined and often fed to the electrical grid. Microinverters have several advantages over conventional inverters. The main advantage is that they electrically isolate the panels from one another, so small amounts of shading, debris or snow lines on any one solar module, or even a complete module failure, do not disproportionately reduce the output of the entire array. Each microinverter harvests optimum power by performing maximum power point tracking (MPPT) for its connected module. Simplicity in system design, lower amperage wires, simplified stock management, and added safety are other factors introduced with the microinverter solution. The primary disadvantages of a microinverter include a higher initial equipment cost per peak watt than the equivalent power of a central inverter since each inverter needs to be installed adjacent to a panel (usually on a roof). This also makes them harder to maintain and more costly to remove and replace. Some manufacturers have addressed these issues with panels with built in microinverters. A microinverter has often a longer lifespan than a central inverter, which will need replacement during the lifespan of the solar panels. Therefore, the financial disadvantage at first may become an advantage in the long term. A power optimizer is a type of technology similar to a microinverter and also does a power optimizer uses a panel level maximum power point tracking, but does not convert to AC per module.

Сызық инверторы

Күн панельдері модульдің құрылымына және жарық жағдайларына байланысты кернеуде тұрақты ток шығарады. 6 дюймдік элементтерді пайдаланатын заманауи модульдерде әдетте 60 элемент болады және 24-30 В номиналды қуаты беріледі (осылайша инверторлар 24-50 В-қа дайын). АЖ-ға түрлендіру үшін панельдер 300-600 ВDC номиналды қуаты бар бір үлкен панельді құрайтын массивті жасау үшін қатарлап қосылуы мүмкін. Содан кейін қуат инверторға өтеді, ол оны стандартты AC кернеуіне, әдетте 230 В / 50 Гц немесе 240 В / 60 Гц түріне айналдырады. Сызықтық инвертордың негізгі мәселесі – панельдер тізбегінің тізбектегі ең нашар орындаушыға тең келетін ең жоғары ток деңгейі бар бір үлкен панель сияқты әрекет етуі. Мысалы, егер тізбектің бір панелі кішігірім өндірістік ақаудан 5% жоғары кедергі көрсетсе, бүкіл тізбек 5% өнімділік жоғалтады. Бұл жағдай динамикалық. Егер панель көлеңкеленсе, оның шығысы күрт төмендейді, тізбектің шығысына әсер етеді, тіпті басқа панельдер көлеңкеленбесе де. Бағдардың тіпті шағын өзгерісі де осылайша шығыс жоғалтуына әкелуі мүмкін. Бұл салада бұл жағдай "Рождестволық шамдар әсері" деп аталады, себебі тізбектегі бір шам істен шықса, Рождестволық ағаш шамдарының бүкіл тізбегі сөніп қалады. Дегенмен, бұл әсер толығымен дәл емес және заманауи сызықтық инвертордың максималды қуат нүктесін іздеу және тіпті модульдік айналма диодтар арасындағы күрделі өзара әрекеттестікті ескермейді. Ірі микроинвертор және DC оптимизатор компаниялары жүргізген көлеңкелік зерттеулер жарық, орташа және қатты көлеңкелі жағдайларда жылдық кішігірім пайданы көрсетті – тиісінше 2%, 5% және 8%. Өндірісті барынша арттыру үшін инверторлар максималды қуат нүктесін іздеу деп аталатын әдісті қолданады, бұл оңтайлы энергияны алу үшін қолданылатын жүктемені реттеу арқылы жүзеге асырылады. Алайда, шығыс панельден панельге өзгеруіне себеп болатын мәселелер MPPT жүйесі қолдануы тиіс дұрыс жүктемеге де әсер етеді. Егер бір панель басқа нүктеде жұмыс істесе, сызықтық инвертор жалпы өзгерісті ғана көре алады және MPPT нүктесін сәйкестендіру үшін жылжитады. Бұл көлеңкеленген панельден ғана емес, басқа панельдерден де шығынға әкеледі. Массивтің бетінің 9% көлеңкеленуі кейбір жағдайларда жүйелік қуатты 54% дейін азайтуы мүмкін. Алайда, жоғарыда айтылғандай, жылдық өнімділік жоғалтулары салыстырмалы түрде аз және жаңа технологиялар кейбір сызықтық инверторларға ішінара көлеңкелеудің әсерін едәуір азайтуға мүмкіндік береді. Тағы бір мәселе, шағын болса да, сызықтық инверторлар шектеулі қуат рейтингтерінде қол жетімді. Бұл дегеніміз, берілген массив әдетте инвертордың қуатын панель массивінің рейтингінен жоғары келетін келесі үлкен модельге дейін арттырады. Мысалы, 2300 Вт құрайтын 10 панельді массив 2500 немесе тіпті 3000 Вт инверторды пайдалануы керек, ол пайдалана алмайтын түрлендіру мүмкіндігі үшін төлеуі мүмкін. Осы мәселе уақыт өте келе массивтің өлшемін өзгертуді қиындатады, қаражат болған кезде қуаттылықты қосуға мүмкіндік бермейді (модульділік). Егер клиент бастапқыда 2300 Вт панельдері үшін 2500 Вт инвертор сатып алған болса, онда ол инверторды шамадан тыс жүктемей, тіпті бір панельді де қоса алмайды. Дегенмен, бұл шамадан тыс мөлшерлеу қазіргі өнеркәсіпте кең таралған тәжірибе болып саналады (кейде инвертордың номиналды қуатынан 20% дейін жоғары), модульдің нашарлауын, қыс айларында өнімділікті арттыруды немесе коммуналдық желіге сатуды арттыруды қамтамасыз ету үшін. Орталықтандырылған инверторлармен байланысты басқа да қиындықтар құрылғыны орналастыру үшін қажетті орынды, сондай-ақ жылуды тарату талаптарын қамтиды. Ірі орталық инверторлар әдетте белсенді салқындатылады. Салқындатқыш желдеткіштер шу шығарады, сондықтан инвертордың кеңселерге және қоныстанған аумақтарға қатысты орналасуын ескеру қажет. Салқындатқыш желдеткіштерде қозғалатын бөлшектер болғандықтан, лас, шаң және ылғал олардың жұмыс істеуіне кері әсер етуі мүмкін. Сызықтық инверторлар тыныш, бірақ инвертордың қуаты төмен болған кезде кешкі уақытта гуілдеуі мүмкін.

Solar panels produce direct current at a voltage that depends on module design and lighting conditions. Modern modules using 6 inch cells typically contain 60 cells and produce a nominal 24 30 V. (so inverters are ready for 24 50 V). For conversion into AC, panels may be connected in series to produce an array that is effectively a single large panel with a nominal rating of 300 to 600 VDC. The power then runs to an inverter, which converts it into standard AC voltage, typically 230 VAC / 50 Hz or 240 VAC / 60 Hz. The main problem with the string inverter approach is the string of panels acts as if it were a single larger panel with a max current rating equivalent to the poorest performer in the string. For example, if one panel in a string has 5% higher resistance due to a minor manufacturing defect, the entire string suffers a 5% performance loss. This situation is dynamic. If a panel is shaded its output drops dramatically, affecting the output of the string, even if the other panels are not shaded. Even slight changes in orientation can cause output loss in this fashion. In the industry, this is known as the "Christmas lights effect", referring to the way an entire string of series strung Christmas tree lights will fail if a single bulb fails. However, this effect is not entirely accurate and ignores the complex interaction between modern string inverter maximum power point tracking and even module bypass diodes. Shade studies by major microinverter and DC optimizer companies show small yearly gains in light, medium and heavy shaded conditions – 2%, 5% and 8% respectively – over an older string inverter

Additionally, the efficiency of a panel's output is strongly affected by the load the inverter places on it. To maximize production, inverters use a technique called maximum power point tracking to ensure optimal energy harvest by adjusting the applied load. However, the same issues that cause output to vary from panel to panel, affect the proper load that the MPPT system should apply. If a single panel operates at a different point, a string inverter can only see the overall change, and moves the MPPT point to match. This results in not just losses from the shadowed panel, but the other panels too. Shading of as little as 9% of the surface of an array can, in some circumstances, reduce system wide power as much as 54%. However, as stated above, these yearly yield losses are relatively small and newer technologies allow some string inverters to significantly reduce the effects of partial shading. Another issue, though minor, is that string inverters are available in a limited selection of power ratings. This means that a given array normally up sizes the inverter to the next largest model over the rating of the panel array. For instance, a 10 panel array of 2300 W might have to use a 2500 or even 3000 W inverter, paying for conversion capability it cannot use. This same issue makes it difficult to change array size over time, adding power when funds are available (modularity). If the customer originally purchased a 2500 W inverter for their 2300 W of panels, they cannot add even a single panel without over driving the inverter. However, this over sizing is considered common practice in today's industry (sometimes as high as 20% over inverter nameplate rating) to account for module degradation, higher performance during winter months or to achieve higher sell back to the utility. Other challenges associated with centralized inverters include the space required to locate the device, as well as heat dissipation requirements. Large central inverters are typically actively cooled. Cooling fans make noise, so location of the inverter relative to offices and occupied areas must be considered. And because cooling fans have moving parts, dirt, dust, and moisture can negatively affect their performance over time. String inverters are quieter but might produce a humming noise in late afternoon when inverter power is low.

Микроинвертор

Микроинверторлар – бір панельдің немесе панельдер жұбының қуатын өңдеуге арналған кішкентай инверторлар. Желілік панельдер әдетте 225 және 275 Вт аралығында номиналдалады, бірақ іс жүзінде осы қуатты сирек береді, сондықтан микроинверторлар әдетте 190 және 220 Вт (кейде 100 Вт) аралығында болады. Олар төмен қуаттық нүктеде жұмыс істейтіндіктен, үлкен жүйелерге тән көптеген конструкциялық мәселелер жойылады: үлкен трансформатордың қажеттілігі азаяды, үлкен электролиттік конденсаторларды сенімдірек жұқа пленкалық конденсаторлармен алмастыруға болады және салқындату жүктемесі төмендейді, сондықтан желдеткіштер қажет емес. Бұйымдардың жұмыс істемейтін уақытының орташа мерзімі (MTBF) жүздеген жылдарды құрайды. Бір панельге қосылған микроинвертор оның қуатын оқшаулауға және реттеуге мүмкіндік береді. Төмен өнімділік көрсетіп тұрған кез келген панель айналасындағы панельдерге әсер етпейді. Мұндай жағдайда, жүйе тізбекті инвертормен салыстырғанда 5%-ға дейін көбірек қуат өндіреді. Көлеңке түсуі ескерілсе, бұл пайда айтарлықтай болуы мүмкін, өндірушілер кемінде 5%-ға артық өнімділік, ал кейбір жағдайларда 25%-ға дейін артық өнімділік беруді күтеді. Экономикалық факторлар өндірушілерді өндірілетін модельдердің санын шектеуге мәжбүр етеді. Көпшілігі белгілі бір панельмен үйлесетінде артық немесе жетіспейтін бір модельді шығарады. Көп жағдайларда қаптама бағаға елеулі әсер етеді. Орталық инверторда ондаған панельдерге арналған бір жиынтық қосылымдар, бір AC шығысы және бір корпус болуы мүмкін. 15 панельден асатын микроинверторлық жүйелерге төбеге орнатылатын "комбинаторлық" автоматтық қосқыш қорабы да қажет болуы мүмкін. Бұл жалпы қуаттық бағаға қосымша шығын әкелуі мүмкін. Құныны азайту үшін кейбір модельдер инвертордан екі немесе үш панельді басқарады, бұл қаптаманы және оған байланысты шығындарды азайтады. Кейбір жүйелер екі микроинверторды бір корпусқа орналастырады, ал басқалары жүйенің тек MPPT бөлімін дубликациялайды және шығынды одан әрі азайту үшін бір DC-AC сатысын пайдаланады. Кейбіреулер бұл тәсіл микроинверторларды тізбекті инверторларды пайдаланатындармен салыстырылатын құнға жеткізе алады деп санайды. Бағаның тұрақты түрде төмендеуі, екі микроинвертордың енгізілуі және фотоэлектрлік модульдің қуатына сәйкес модельдердің таңдау аясының кеңеюі құнды кедергісін азайтады. Микроинверторлар кішкентай жүйелерде және әрбір панельден максималды өнім алу қажет болғанда кең таралған. Мұндай жағдайларда, қуаттық бағадағы айырмашылық панельдердің аз санына байланысты азаяды және жүйелік құнға әсері аз. Белгілі бір өлшемдегі жүйеден алынатын энергияны арттыру осы құн айырмашылығын өтеуі мүмкін. Осы себепті микроинверторлар тұрғын үй нарығында ең сәтті болды, онда панельдерге арналған шектеулі орын жүйенің мөлшерін шектейді және жақын маңдағы ағаштар немесе басқа да объектілерден көлеңке түсуі жиі кездеседі. Микроинвертор өндірушілері көптеген жүйелерді тізімдейді, олардың кейбіреулері бір панельдей кішкентай, ал көпшілігі 50-ден аз. Микроинверторлардың жиі назардан тыс қалған кемшілігі – олармен байланысты болашақ пайдалану және техникалық қызмет көрсету шығындары. Технология жылдар бойы жетілдірілгенімен, құрылғылардың ақырында тозуы немесе бұзылуы фактісі өзгермейді. Орнатушы осы ауыстыру шығындарын (бір сапарға шамамен 400 доллар), персоналға, жабдыққа және модульдерге қатысты қауіпсіздік тәуекелдерін орнатудан алынатын пайдамен салыстыруы керек. Үй иелері үшін құрылғылардың ерте тозуы немесе бұзылуы шатыр плиткаларына немесе шиферге, мүлікке зақым келтіруі және басқа да қиындықтар тудыруы мүмкін.

Microinverters are small inverters rated to handle the output of a single panel or a pair of panels. Grid tie panels are normally rated between 225 and 275 W, but rarely produce this in practice, so microinverters are typically rated between 190 and 220 W (sometimes, 100 W). Because it is operated at this lower power point, many design issues inherent to larger designs simply go away; the need for a large transformer is generally eliminated, large electrolytic capacitors can be replaced by more reliable thin film ones, and cooling loads are reduced so no fans are needed. Mean time between failures (MTBF) are quoted in hundreds of years. A microinverter attached to a single panel allows it to isolate and tune the output of that panel. Any panel that is under performing has no effect on panels around it. In that case, the array as a whole produces as much as 5% more power than it would with a string inverter. When shadowing is factored in, if present, these gains can become considerable, with manufacturers generally claiming 5% better output at a minimum, and up to 25% better in some cases. Like string inverters, economic considerations force manufacturers to limit the number of models they produce. Most produce a single model that may be over or undersize when matched with a specific panel. In many cases the packaging can have a significant effect on price. With a central inverter you may have only one set of panel connections for dozens of panels, a single AC output, and one box. Microinverter installations larger than about 15 panels may require a roof mounted "combiner" breaker box as well. This can add to the overall price per watt. To further reduce costs, some models control two or three panels from an inverter, reducing the packaging and associated costs. Some systems place two entire micros in a single box, while others duplicate only the MPPT section of the system and use a single DC to AC stage for further cost reductions. Some have suggested that this approach will make microinverters comparable in cost with those using string inverters. With steadily decreasing prices, the introduction of dual microinverters and the advent of wider model selections to match PV module output more closely, cost is less of an obstacle. Microinverters have become common where array sizes are small and maximizing performance from every panel is a concern. In these cases, the differential in price per watt is minimized due to the small number of panels, and has little effect on overall system cost. The improvement in energy harvest given a fixed size array can offset this difference in cost. For this reason, microinverters have been most successful in the residential market, where limited space for panels constrains array size, and shading from nearby trees or other objects is often an issue. Microinverter manufacturers list many installations, some as small as a single panel and the majority under 50. An often overlooked disadvantage of micro inverters is the future operation and maintenance costs associated with them. While the technology has improved over the years the fact remains that the devices will eventually either fail or wear out. The installer must balance these replacement costs (around $400 per truck roll), increased safety risks to personnel, equipment and module racking against the profit margins for the installation. For homeowners, the eventual wear out or premature device failures will introduce potential damage to the roof tiles or shingles, property damage and other nuisances.

Артықшылықтар

Микроинверторлар, әдетте, тізбекті инверторларға қарағанда тиімділігі төмен болса да, әрбір инвертор / панель бірлігі өздігінен жұмыс істейтіндіктен, жалпы тиімділік артады. Тізбекті конфигурацияда, тізбектегі бір панель көлеңке түскен жағдайда, панельдердің бүкіл тізбегінің қуаты ең аз қуат беретін панельдің қуатына дейін төмендейді. Бұл микроинверторларда орын алмайды. Тағы бір артықшылық – панельдің қуаттылығының сапасы. Бір өндіріс партиясынан шыққан екі панельдің номиналды қуаты 10% немесе одан да көп айырмашылыққа ие болуы мүмкін. Бұл микроинвертор конфигурациясында азайтылады, бірақ тізбекті конфигурацияда емес. Нәтижесінде микроинвертор массивінен максималды қуат жиналады. Микроинверторлы жүйелерді де қуатқа деген қажеттілік өскенде немесе азайғанда оңай өзгертуге болады. Әрбір күн панелі мен микроинвертор өз алдына шағын жүйе болғандықтан, белгілі бір деңгейде тәуелсіз жұмыс істейді. Бұл, егер үйдің немесе ғимараттың сақтандырылған электр тобының шегінен аспаса, бір немесе бірнеше панель қосу энергияны көбейтеді деген сөз. Керісінше, тізбекті инверторларда инвертордың мөлшері панельдердің санына немесе ең жоғары қуатына сәйкес болуы керек. Болашақта кеңейтуді жоспарласа, үлкен қуатты тізбекті инверторды таңдауға болады, бірақ мұндай белгісіздікке байланысты қосымша шығындар туындайды. Бақылау және техникалық қызмет көрсету де оңай, өйткені көптеген микроинвертор өндірушілері өз құрылғыларының қуатын бақылауға арналған қосымшалар немесе веб-сайттар ұсынады. Көп жағдайда бұл өнімдердің авторлық құқығында болады, бірақ әрқашан олай емес. Enecsys компаниясы таратылғаннан кейін және олардың сайты жабылып қалғаннан кейін, Enecsys Monitoring сияқты бірқатар жеке сайттар пайда болды, бұл жүйе иелеріне оны бақылауға мүмкіндік берді.

Үш фазалы микроинверторлар

DC қуатын AC-ге тиімді түрлендіру үшін инвертор желідегі AC кернеуі нөлге жақын болғанда панельден энергияны сақтауға, ал кернеу көтерілгенде оны қайта босатуға тиіс. Бұл шағын корпуста үлкен мөлшерде энергия сақтауды талап етеді. Қажетті көлемдегі сақтау үшін ең арзан нұсқа – электролиттік конденсатор, бірақ олардың қызмет ету мерзімі салыстырмалы түрде қысқа, әдетте жылдармен өлшенеді, ал ыстық жағдайда, мысалы, шатырдағы күн панелінде жұмыс істегенде, бұл мерзім одан да қысқарады. Бұл микроинвертор әзірлеушілерінің көп жұмыс істеуіне әкелді, олар сақтау талаптарын азайтатын түрлі түрлендіру топологияларын енгізді, ал кейбіреулері мүмкіндігінше аз қуатты, бірақ ұзақ қызмет ететін жұқа пленкалық конденсаторларды қолданады. Үш фазалы электр қуаты да осы мәселенің шешімі болып табылады. Үш фазалы тізбекте қуат екі сым арасында (мысалы) +120-дан 120 В-қа дейін өзгере қоймайды, керісінше 60 және +120 немесе 60 және 120 В аралығында өзгереді, ал өзгеру периоды әлдеқайда қысқа. Үш фазалы жүйелерде жұмыс істеуге арналған инверторларға әлдеқайда аз сақтау қажет. Нөлдік кернеуді ауыстыру принципін қолданатын үш фазалы микроинвертор жоғары тізбек тығыздығын және төмен құнға ие компоненттерді ұсына алады, сонымен қатар түрлендіру тиімділігін 98%-дан астамға дейін жақсартады, бұл бір фазалы жүйенің 96%-дық ең жоғары көрсеткішінен артық. Дегенмен, үш фазалы жүйелер көбінесе өнеркәсіптік және коммерциялық объектілерде қолданылады. Бұл нарықтарда әдетте үлкен массивтер орнатылады, онда бағаға сезімталдық ең жоғары болады. Теориялық артықшылықтарына қарамастан, үш фазалы микроинверторларды пайдалану өте төмен деңгейде.

Портативті пайдалану

Бүгілетін күн панелі, АЖ микроинверторларымен жабдықталған, ноутбуктерді және кейбір электр көліктерін қайта зарядтау үшін қолданылуы мүмкін.

Тарих

Микроинвертор тұжырымдамасы күн энергиясы саласының басынан бері бар. Дегенмен, трансформатордың немесе корпустың құны сияқты өндірістің тұрақты шығындары көлемге пропорционалды түрде төмендеді, сондықтан үлкен құрылғылар бір ваттқа шаққандағы бағасы бойынша арзан болды. ExelTech және басқа компаниялардан кішкентай инверторлар да қол жетімді болды, бірақ олар үлкен дизайнның нашар бағалық көрсеткіштері бар кіші нұсқалары ғана еді және арнайы нарықтарға бағытталған.

Алғашқы мысалдар

1991 жылы Ascension Technology компаниясы дәстүрлі инвертордың кішілендірілген нұсқасы бойынша жұмыс істей бастады, оны AC панелін құру үшін панельге орнату жоспарланған. Бұл конструкция тиімділігі төмен және көп мөлшерде жылу шығаратын стандартты сызықтық реттегішке негізделген. 1994 жылы олар үлгіні сынақтан өткізу үшін Sandia Labs-ке жіберді. 1997 жылы Ascension 300 Вт SunSine панелін ұсыну үшін ASE Americas американдық панель компаниясымен серіктестік құрды. Қазіргі таңда "шынайы" микроинвертор деп танылатын конструкцияның тарихы 1980-жылдардың соңында Вернер Клейнкауфтың ISET (Institut für Solare Energieversorgungstechnik) институтындағы, қазіргі Fraunhofer Жел энергиясы және энергия жүйелері технологиясы институтындағы жұмысына қатысты. Бұл жобалар қазіргі заманғы жоғары жиілікті қуат көзі технологиясына негізделген, ол әлдеқайда тиімді. Оның "модульге енгізілген түрлендіргіштер" бойынша жұмысы, әсіресе Еуропада, зор ықпалға ие болды. 1993 жылы Mastervolt компаниясы Shell Solar, Ecofys және ECN арасындағы ынтымақтастық нәтижесінде жасалған Sunmaster 130S, алғашқы желілік инверторын ұсынды. 130 инверторы панельдің артқы жағына тікелей орнатылып, AC және DC сымдарын қысыммен бекітілетін фитингтер арқылы қосуға мүмкіндік берді. 2000 жылы 130 үлгісі Soladin 120-ға алмастырылды, бұл микроинвертор, ол панельдерді кез келген розеткаға қосу арқылы қосуға мүмкіндік беретін AC адаптері түрінде жасалған. 1995 жылы OKE Services тиімділігі жақсартылған жаңа жоғары жиілікті нұсқасын жасады, ол 1995 жылы NKF Kabel компаниясымен OK4 100 деген атпен коммерциялық өнім ретінде ұсынылды және АҚШ нарығында Trace Microsine деп қайта брендтелді. OK4All жаңа нұсқасы тиімділігін арттырып, жұмыс істеу ауқымын кеңейтті. Осы үміткер бастамаға қарамастан, 2003 жылға қарай жобалардың көп бөлігі аяқталды. Ascension Technology ірі интегратор Applied Power Corporation компаниясымен сатып алынды. APC өз кезегінде 2002 жылы Schott компаниясымен сатып алынды, ал SunSine өндірісі Schott-тың қолданыстағы жобаларына басымдық беріліп тоқтатылды. NKF 2003 жылы субсидия бағдарламасы аяқталғаннан кейін OK4 сериясын өндіруді тоқтатты. Mastervolt енді 600 Вт дейін панельдерді қолдайтын жүйеде 120-ның пайдалануға ыңғайлылығын біріктіретін "мини инверторлар" желісіне көшті.

In 1991 the US company Ascension Technology started work on what was essentially a shrunken version of a traditional inverter, intended to be mounted on a panel to form an AC panel. This design was based on the conventional linear regulator, which is not particularly efficient and dissipates considerable heat. In 1994 they sent an example to Sandia Labs for testing. In 1997, Ascension partnered with US panel company ASE Americas to introduce the 300 W SunSine panel. Design of, what would today be recognized as a "true" microinverter, traces its history to late 1980s work by Werner Kleinkauf at the ISET (Institut für Solare Energieversorgungstechnik), now Fraunhofer Institute for Wind Energy and Energy System Technology. These designs were based on modern high frequency switching power supply technology, which is much more efficient. His work on "module integrated converters" was highly influential, especially in Europe. In 1993 Mastervolt introduced their first grid tie inverter, the Sunmaster 130S, based on a collaborative effort between Shell Solar, Ecofys and ECN. The 130 was designed to mount directly to the back of the panel, connecting both AC and DC lines with compression fittings. In 2000, the 130 was replaced by the Soladin 120, a microinverter in the form of an AC adapter that allows panels to be connected simply by plugging them into any wall socket. In 1995, OKE Services designed a new high frequency version with improved efficiency, which was introduced commercially as the OK4 100 in 1995 by NKF Kabel, and re branded for US sales as the Trace Microsine. A new version, the OK4All, improved efficiency and had wider operating ranges. In spite of this promising start, by 2003 most of these projects had ended. Ascension Technology was purchased by Applied Power Corporation, a large integrator. APC was in turn purchased by Schott in 2002, and SunSine production was canceled in favor of Schott's existing designs. NKF ended production of the OK4 series in 2003 when a subsidy program ended. Mastervolt has moved on to a line of "mini inverters" combining the ease of use of the 120 in a system designed to support up to 600 W of panels.

Бастауыш

2001 жылғы телекоммуникация саласындағы дағдарыстан кейін Cerent Corporation компаниясының Мартин Форнаж жаңа жобалар іздеді. Ол өз ранчосындағы күн батареяларының инверторының нашар жұмыс істеуін байқағанда, өзі іздеген жобаны тапты. 2006 жылы ол Cerent компаниясының тағы бір инженеры Рагху Белурмен бірге Enphase Energy компаниясын құрды және келесі жылды телекоммуникация саласындағы жобалау тәжірибесін инвертор мәселесін шешуге жұмсады. 2008 жылы шығарылған Enphase M175 моделі – коммерциялық сәттілікке жеткен алғашқы микроинвертер болды. Оның ізбасары M190 2009 жылы, ал соңғы моделі M215 2011 жылы ұсынылды. 100 миллион доллар көлеміндегі жеке капиталмен қолдау көрсетілген Enphase 2010 жылдың ортасына қарай нарықтағы үлесін 13%-ға дейін өсірді, ал жыл соңына қарай 20%-ға жеткізуді мақсат етті. Сондай-ақ, сол жылдың қыркүйек айында олардың 1,000,000-ы сатылды. 2011 жылдың басында жаңа дизайнның қайта брендтелген нұсқаларын Siemens компаниясы электр монтаждаушыларына кеңінен тарату үшін тікелей сататынын хабарлады. Enphase компаниясы EnergyAustralia компаниясымен микроинвертер технологиясын тарту туралы келісімге келді.

Негізгі ойыншылар

Enphase-тің табысы назарсыз қалмады, және 2010 жылдан бері көптеген бәсекелестер пайда болды, бірақ көбісі бұл саланы тастап кетті. Көптеген өнімдер M190-тың сипаттамаларымен, тіпті корпусы мен орнату бөлшектерімен бірдей болды. Кейбіреулері баға немесе өнімділік тұрғысынан Enphase-пен тікелей бәсекелесті, ал басқалары нарықтың тар салаларын бағындыруға тырысты. Ірі компаниялар да осы салада көрінді: SMA, Enecsys және iEnergy. OKE Services-тің OK4 All өнімін SMA 2009 жылы сатып алып, ұзақ дамыту кезеңінен кейін SunnyBoy 240 ретінде шығарды, ал Power One AURORA 250 және 300 модельдерін ұсынды. 2010 жылға қарай Enecsys және SolarBridge Technologies сияқты басқа да ірі ойыншылар болды, әсіресе Солтүстік Америка нарығынан тыс. 2021 жылы АҚШ-та өндірілген жалғыз микроинвертер Chilicon Power-дың өнімі болды. 2009 жылдан бері Еуропа мен Қытайдағы, соның ішінде ірі орталық инвертор өндірушілері көптеген компаниялар микроинверторларды іске қосты – бұл микроинвертордың қалыптасқан технология екенін және соңғы жылдары фотоэлектрлік индустриядағы ең маңызды технологиялық өзгерістердің бірі екенін растады. APsystems компаниясы төрт күн модуліне дейін микроинверторлармен жұмыс істейтін инверторларды, соның ішінде 1130 Ваттқа дейін AC қуаты бар үш фазалы YC1000 инверторын сатады. Өндірушілердің саны жылдар бойы азайды, бұл олардың таралуы мен бірігуіне байланысты. 2019 жылы қалған бірнеше компаниялардың қатарында 2021 жылы SolarBridge компаниясын сатып алған Enphase, Omnik Solar және Chilicon Power (Generac компаниясы 2021 жылдың шілдесінде сатып алған) бар. 2021 жылдың шілдесінде микроинвертор компанияларымен серіктестікке келісіп, АЖ күн панельдерін өндіру және сатуға кіріскен ірі ПВ компаниялардың тізіміне BenQ, Canadian Solar, LG, NESL, SunPower, Sharp Solar, Suntech, Siemens, Trina Solar және Qcells кіреді.

Бағаның төмендеуі

2009-2012 жылдар аралығындағы кезеңде фотоэлектрлік (PV) нарығында бұрын-соңды болмаған бағаның күрт төмендеуі тіркелді. Осы кезеңнің басында панельдердің көтерме бағасы шамамен $2,00-ден $2,50-ге дейін/Вт, ал инвертерлердің бағасы 50-ден 65 центке дейін/Вт болды. 2012 жылдың соңына қарай панельдердің көтерме бағасы 65-тен 70 центке дейін/Вт, ал тізбекті инвертерлердің бағасы 30-дан 35 центке дейін/Вт төмендеді. Қарама-қарсылығы, микроинвертерлер осыған ұқсас бағаның төмендеуіне салыстырмалы түрде сезімтал болған жоқ, кабельдерді ескергенде шамамен 65 цент/Вт-тан 50-55 центке дейін өзгерді. Бұл жеткізушілердің бәсекеге қабілеттілігін сақтап қалу әрекеттерінен туындап, шығынның артуына алып келуі мүмкін.