Солнечные инверторы: Преобразование энергии и оптимизация работы фотоэлектрических систем.

Солнечные инверторы: преобразование постоянного тока от солнечных панелей в переменный ток для сети или автономного использования. MPPT, защита от "острова".

22 мин чтения

100%

Источник: Solar inverter — Wikipedia

Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.

Содержание

Введение

Преобразует выход фотоэлектрической панели в переменный ток сетевой частоты.

Солнечный инвертор или фотоэлектрический (PV) инвертор – это тип инвертора мощности, который преобразует нестабильный постоянный ток (DC), генерируемый фотоэлектрической солнечной панелью, в переменный ток (AC) сетевой частоты, который может быть подан в коммерческую электрическую сеть или использован локальной автономной электрической сетью. Он является важнейшим компонентом баланса системы (BOS) в фотоэлектрической системе, обеспечивающим возможность использования обычного электрооборудования, работающего от переменного тока. Солнечные инверторы имеют специальные функции, адаптированные для работы с фотоэлектрическими массивами, включая отслеживание точки максимальной мощности и защиту от возникновения изолированной сети.

Отслеживание точки максимальной мощности

Солнечные инверторы используют отслеживание точки максимальной мощности (MPPT) для получения максимальной возможной мощности от фотоэлектрического массива. Солнечные элементы характеризуются сложной зависимостью между солнечной радиацией, температурой и общим сопротивлением, что приводит к нелинейной выходной характеристике, известной как вольт-амперная кривая (I V-кривая). Задача системы MPPT заключается в измерении выходных параметров элементов и определении сопротивления (нагрузки) для достижения максимальной мощности при любых заданных условиях окружающей среды. Коэффициент заполнения, чаще обозначаемый аббревиатурой FF, – это параметр, который, наряду с напряжением холостого хода (Voc) и током короткого замыкания (Isc) панели, определяет максимальную мощность солнечного элемента. Коэффициент заполнения определяется как отношение максимальной мощности солнечного элемента к произведению Voc и Isc. Существует три основных типа алгоритмов MPPT: метод возмущения и наблюдения, метод инкрементальной проводимости и метод постоянного напряжения. Первые два метода часто называют методами поиска максимума; они основаны на том, что кривая зависимости мощности от напряжения возрастает слева от точки максимальной мощности и убывает справа от нее.

Инверторы для солнечных насосов

Современные инверторы для солнечных насосов преобразуют постоянное напряжение от солнечной батареи в переменное напряжение для непосредственного питания погружных насосов, исключая необходимость в аккумуляторах или других устройствах накопления энергии. Используя MPPT (отслеживание точки максимальной мощности), инверторы для солнечных насосов регулируют выходную частоту для управления скоростью насоса и предотвращения повреждения двигателя. Обычно солнечные инверторы для насосов оснащены несколькими портами: для подключения постоянного тока, вырабатываемого фотоэлектрическими панелями, для выдачи переменного напряжения и для подключения датчика уровня воды.

Трехфазный инвертор

Трехфазный инвертор – это тип солнечного микроинвертора, специально разработанный для подачи трехфазной электрической энергии. В традиционных конструкциях микроинверторов, работающих с однофазным питанием, энергия от панели должна накапливаться в период, когда напряжение проходит через ноль, что происходит дважды за цикл (при частоте 50 или 60 Гц). В трехфазной системе на протяжении всего цикла хотя бы один из трех проводов имеет положительное (или отрицательное) напряжение, поэтому потребность в накоплении энергии может быть значительно снижена за счет переключения выхода панели на разные провода в течение каждого цикла. Уменьшение необходимости в накоплении энергии существенно снижает стоимость и сложность аппаратной части преобразователя, а также потенциально увеличивает его расчетный срок службы.

Предыстория

Обычный переменный ток представляет собой синусоидальную форму напряжения, которая повторяется в течение определенного периода. Это означает, что в течение одного цикла напряжение дважды проходит через ноль. В европейских системах напряжение в розетке достигает максимума в 230 В и изменяется 50 раз в секунду, то есть напряжение равно нулю 100 раз в секунду. В североамериканских системах напряжение составляет 120 В при частоте 60 Гц, или 120 нулевых значений напряжения в секунду. Недорогие инверторы могут преобразовывать постоянный ток в переменный, просто включая и выключая постоянный ток 120 раз в секунду, инвертируя напряжение в каждом втором цикле. В результате получается прямоугольная волна, которая достаточно близка к переменному току для многих устройств. Однако такое решение не подходит для солнечной энергетики, где цель состоит в том, чтобы преобразовать максимально возможное количество энергии от солнечной панели в переменный ток. При использовании этих недорогих инверторов вся энергия, вырабатываемая в течение времени, когда постоянный ток выключен, просто теряется, что составляет значительную часть каждого цикла. Чтобы решить эту проблему, солнечные инверторы используют некоторую форму накопления энергии для буферизации мощности панели в периоды перехода через ноль. Когда напряжение переменного тока превышает напряжение в накопителе, оно направляется на выход вместе с любой энергией, вырабатываемой панелью в данный момент. Таким образом, вся энергия, производимая панелью в течение цикла, в конечном итоге поступает на выход. Проблема этого подхода заключается в том, что для подключения к типичной современной солнечной панели экономически целесообразное количество энергии можно накопить только с помощью электролитических конденсаторов. Они относительно недороги, но имеют известные режимы деградации, что означает, что их срок службы составляет около десяти лет. Это вызвало широкие дебаты в отрасли о целесообразности использования микроинверторов, поскольку замена этих конденсаторов в конце срока службы потребует снятия панелей, часто расположенных на крыше.

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.

Трехфазный

По сравнению с обычным бытовым током на двух проводах, ток на стороне передачи электросети использует три провода и фазы. В любой момент времени сумма этих трех фаз всегда положительна (или отрицательна). Таким образом, хотя каждый провод в трехфазной системе проходит через ноль так же, как и в бытовой сети, система в целом этого не делает, а лишь колеблется между максимальным и немного меньшим значением. Микроинвертор, разработанный специально для трехфазного питания, может значительно уменьшить требуемую емкость накопителя, просто выбирая провод, ближайший к собственному рабочему напряжению в данный момент. Простая система может выбирать провод, ближайший к максимальному напряжению, и переключаться на следующий, когда текущий начинает приближаться к максимуму. В этом случае системе необходимо хранить энергию только в диапазоне от пика до минимума полного цикла, что значительно меньше как по разнице напряжений, так и по времени. Это можно улучшить, выбирая провод, ближайший к собственному напряжению постоянного тока в данный момент, а не переключаясь между ними только по таймеру. В любой момент времени два из трех проводов будут иметь положительное (или отрицательное) напряжение, и использование провода, ближайшего к стороне постоянного тока, позволит добиться небольшого повышения эффективности преобразовательного оборудования. Сокращение или полное устранение требований к хранению энергии упрощает устройство и исключает компонент, определяющий срок его службы. Вместо десяти лет трехфазный микроинвертор можно спроектировать так, чтобы он прослужил весь срок службы панели. Такое устройство также будет менее дорогим и менее сложным, хотя и потребует подключения каждого инвертора ко всем трем линиям, что может привести к увеличению количества проводки.

Недостатки

Основным недостатком концепции трехфазного инвертора является то, что воспользоваться этими системами могут только объекты, подключенные к трехфазной сети. Трехфазное питание легко доступно на крупных объектах энергетики и в коммерческих зданиях, и именно на эти рынки изначально были ориентированы данные системы. Однако ключевые преимущества концепции микроинвертора связаны с проблемами затенения и ориентации панелей, которые в случае крупных систем легко решаются простой перестановкой панелей. Преимущества трехфазных микроинверторов значительно меньше, чем в жилом секторе, где пространство ограничено. По состоянию на 2014 год эксперты считали, что трехфазные микроинверторы еще не достигли ценового уровня, при котором их преимущества были бы оправданы. Более того, ожидается, что стоимость электропроводки для трехфазных микроинверторов будет выше.

Комбинирующие фазы

Важно противопоставить полноценный трехфазный инвертор трем однофазным микроинверторам, соединенным для выдачи трехфазного напряжения. Последнее – довольно распространенная функция большинства конструкций инверторов, позволяющая объединять три идентичных инвертора, подключая каждый к паре проводов трехфазной сети. В результате получается трехфазное питание, однако каждый инвертор в системе выдает только однофазное напряжение. Подобные решения не позволяют воспользоваться преимуществами сниженных требований к накопителям энергии, описанными выше.

Солнечные микроинверторы

Солнечный микроинвертор – это инвертор, предназначенный для работы с одним фотоэлектрическим модулем. Микроинвертор преобразует выходной постоянный ток от каждой панели в переменный ток. Его конструкция позволяет параллельно подключать несколько независимых блоков модульным способом. Преимущества микроинверторов включают оптимизацию мощности каждой панели, независимую работу каждой панели, установку типа "plug and play", улучшенную безопасность при установке и пожарную безопасность, а также снижение затрат на проектирование системы и минимизацию складских запасов. Исследование, проведенное в 2011 году в Аппалачском государственном университете, показало, что использование отдельных интегрированных инверторов позволило получить примерно на 20% больше энергии в условиях отсутствия затенения и на 27% больше энергии в условиях затенения по сравнению с системой, использующей один инвертор, подключенный к последовательной цепочке панелей. В обоих случаях использовались идентичные солнечные панели. Солнечный микроинвертор, или просто микроинвертор, – это устройство типа "plug and play", используемое в фотоэлектрике для преобразования постоянного тока (DC), генерируемого одним солнечным модулем, в переменный ток (AC). Микроинверторы отличаются от традиционных струнных и центральных солнечных инверторов, в которых один инвертор подключается к нескольким солнечным панелям. Выход нескольких микроинверторов может быть объединен и часто направляется в электрическую сеть. Микроинверторы обладают рядом преимуществ по сравнению с традиционными инверторами. Основное преимущество заключается в том, что они электрически изолируют панели друг от друга, поэтому небольшое затенение, мусор или снежные отложения на любом солнечном модуле, или даже полный выход из строя модуля, не приводят к непропорциональному снижению выходной мощности всей системы. Каждый микроинвертор обеспечивает максимальную выработку энергии, выполняя отслеживание точки максимальной мощности (MPPT) для подключенного к нему модуля. Простота проектирования системы, использование проводов меньшего сечения, упрощенное управление запасами и повышенная безопасность – это дополнительные преимущества, предоставляемые решением с использованием микроинверторов. Основными недостатками микроинвертора являются более высокая начальная стоимость оборудования на пиковую мощность по сравнению с центральным инвертором аналогичной мощности, поскольку каждый инвертор необходимо устанавливать рядом с панелью (обычно на крыше). Это также усложняет их обслуживание и увеличивает стоимость демонтажа и замены. Некоторые производители решили эти проблемы, предлагая панели со встроенными микроинверторами. Микроинвертор часто имеет более длительный срок службы, чем центральный инвертор, который потребуется заменить в течение срока службы солнечных панелей. Таким образом, первоначальные финансовые недостатки могут со временем превратиться в преимущество. Оптимизатор мощности – это тип технологии, аналогичный микроинвертору, который также использует отслеживание точки максимальной мощности на уровне панели, но не осуществляет преобразование в переменный ток для каждого модуля.

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.

Инвертор струн

Солнечные панели производят постоянный ток при напряжении, зависящем от конструкции модуля и условий освещения. Современные модули с 6-дюймовыми ячейками обычно содержат 60 ячеек и выдают номинальное напряжение 24-30 В (следовательно, инверторы рассчитаны на 24-50 В). Для преобразования в переменный ток панели могут быть соединены последовательно, образуя массив, который по сути является одной большой панелью с номинальной мощностью от 300 до 600 В постоянного тока. Затем энергия поступает в инвертор, который преобразует ее в стандартное переменное напряжение, обычно 230 В переменного тока / 50 Гц или 240 В переменного тока / 60 Гц. Основная проблема подхода со струнным инвертором заключается в том, что строка панелей ведет себя как одна большая панель с максимальным током, эквивалентным наименее эффективной панели в строке. Например, если у одной панели в строке на 5% выше сопротивление из-за незначительного производственного дефекта, вся строка теряет 5% производительности. Эта ситуация динамична. Если панель затенена, ее выход резко падает, что влияет на выход всей строки, даже если другие панели не затенены. Даже небольшие изменения в ориентации могут привести к потере производительности. В отрасли это известно как «эффект гирлянды», поскольку вся последовательно соединенная гирлянда перестанет работать, если перегорит одна лампочка. Однако этот эффект не совсем точен и не учитывает сложное взаимодействие между современной системой отслеживания точки максимальной мощности струнного инвертора и даже обходными диодами модуля. Исследования затенения, проведенные крупными компаниями, производящими микроинверторы и DC-оптимизаторы, показывают небольшое ежегодное увеличение выработки электроэнергии в условиях легкого, среднего и сильного затенения – 2%, 5% и 8% соответственно – по сравнению со старыми струнными инверторами. Кроме того, на эффективность выходной мощности панели сильно влияет нагрузка, которую на нее оказывает инвертор. Для максимизации выработки инверторы используют метод, называемый отслеживанием точки максимальной мощности, чтобы обеспечить оптимальный сбор энергии путем регулировки приложенной нагрузки. Однако те же факторы, которые вызывают колебания выходной мощности от панели к панели, влияют и на оптимальную нагрузку, которую должна применять система MPPT. Если одна панель работает в другой точке, струнный инвертор видит только общее изменение и соответствующим образом смещает точку MPPT. Это приводит к потерям не только от затененной панели, но и от других панелей. Затенение всего 9% поверхности массива в некоторых случаях может снизить общую мощность системы до 54%. Однако, как указано выше, эти ежегодные потери урожайности относительно невелики, и новые технологии позволяют некоторым струнным инверторам значительно уменьшить влияние частичного затенения. Другой вопрос, хотя и незначительный, заключается в том, что струнные инверторы доступны в ограниченном диапазоне мощностей. Это означает, что для данного массива обычно выбирается инвертор следующего большего размера, чем номинальная мощность массива панелей. Например, для 10-панельного массива мощностью 2300 Вт может потребоваться инвертор мощностью 2500 или даже 3000 Вт, за возможность преобразования, которую он не может использовать. Эта же проблема затрудняет изменение размера массива со временем, добавляя мощность по мере поступления средств (модульность). Если клиент изначально приобрел инвертор мощностью 2500 Вт для своих панелей мощностью 2300 Вт, он не сможет добавить даже одну панель, не перегрузив инвертор. Однако такая переоценка считается обычной практикой в современной отрасли (иногда до 20% выше номинальной мощности инвертора), чтобы учесть деградацию модуля, более высокую производительность в зимние месяцы или для достижения более высокой продажи электроэнергии в сеть. 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 создают шум, поэтому необходимо учитывать расположение инвертора относительно офисов и жилых помещений. А поскольку вентиляторы охлаждения имеют движущиеся части, грязь, пыль и влага могут негативно повлиять на их производительность с течением времени. Струнные инверторы тише, но могут издавать гудящий звук в конце дня, когда мощность инвертора низкая.

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

Микроинверторы – это небольшие инверторы, рассчитанные на выходную мощность одной панели или пары панелей. Панели, подключаемые к сети, обычно имеют номинальную мощность от 225 до 275 Вт, но на практике редко выдают такие значения, поэтому микроинверторы обычно рассчитаны на мощность от 190 до 220 Вт (иногда – 100 Вт). Поскольку они работают в этой более низкой точке мощности, многие конструктивные проблемы, присущие более крупным системам, просто исчезают: необходимость в большом трансформаторе обычно отпадает, большие электролитические конденсаторы можно заменить на более надежные тонкопленочные, а требования к охлаждению снижаются, что позволяет обойтись без вентиляторов. Среднее время наработки на отказ (MTBF) указывается в сотнях лет. Микроинвертор, подключенный к отдельной панели, позволяет изолировать и оптимизировать ее выходную мощность. Неэффективная панель не влияет на работу соседних. В этом случае вся панельная система в целом производит на 5% больше энергии, чем при использовании струнного инвертора. При учете затенения, если оно присутствует, эта выгода может быть значительной: производители обычно заявляют о повышении эффективности минимум на 5%, а в некоторых случаях – до 25%. Как и в случае со струнными инверторами, экономические соображения вынуждают производителей ограничивать количество выпускаемых моделей. Большинство производят одну модель, которая может быть избыточной или недостаточной при подключении к конкретной панели. Во многих случаях упаковка может существенно влиять на цену. При использовании центрального инвертора для подключения десятков панелей требуется только один набор соединений, один выход переменного тока и один корпус. Установки микроинверторов, состоящие более чем из 15 панелей, могут потребовать установки на крыше распределительного щита с автоматическими выключателями. Это может увеличить общую стоимость за ватт. Для дальнейшего снижения затрат некоторые модели управляют двумя или тремя панелями от одного инвертора, уменьшая размеры корпуса и связанные с ним расходы. Некоторые системы размещают два полных микроинвертора в одном корпусе, в то время как другие дублируют только секцию MPPT и используют одну ступень преобразования постоянного тока в переменный для дальнейшего снижения стоимости. Некоторые предполагают, что такой подход сделает микроинверторы сопоставимыми по стоимости со струнными инверторами. Благодаря постоянному снижению цен, появлению двойных микроинверторов и расширению модельного ряда для более точного соответствия выходной мощности фотоэлектрических модулей, стоимость становится менее значительным препятствием. Микроинверторы стали популярны там, где размеры панельных систем небольшие и важна максимальная производительность каждой панели. В этих случаях разница в цене за ватт минимизируется из-за небольшого количества панелей и мало влияет на общую стоимость системы. Улучшение выработки энергии при использовании панельной системы фиксированного размера может компенсировать эту разницу в стоимости. По этой причине микроинверторы наиболее успешны на рынке частных домов, где ограниченное пространство для панелей ограничивает размер системы, а затенение от близлежащих деревьев или других объектов часто является проблемой. Производители микроинверторов приводят множество примеров установок, некоторые из которых состоят всего из одной панели, а большинство – менее 50. Часто упускаемым из виду недостатком микроинверторов являются будущие затраты на эксплуатацию и техническое обслуживание. Хотя технология со временем улучшилась, устройства в конечном итоге либо выйдут из строя, либо износятся. Установщику необходимо учитывать эти затраты на замену (около 400 долларов за выезд), повышенные риски для безопасности персонала, оборудования и несущих конструкций модулей, а также маржу прибыли от установки. Для домовладельцев износ или преждевременный выход из строя устройств может привести к повреждению кровельных материалов, повреждению имущества и другим неудобствам.

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.

Преимущества

В то время как микроинверторы, как правило, имеют более низкий КПД, чем струнные инверторы, общая эффективность повышается благодаря тому, что каждый инвертор/панель работает независимо. В струнной конфигурации затенение одной панели приводит к снижению выходной мощности всей цепочки панелей до уровня самой малопроизводительной панели. С микроинверторами этого не происходит. Дополнительным преимуществом является качество выходной мощности панелей. Номинальная мощность любых двух панелей из одной производственной партии может отличаться на 10% и более. Это нивелируется при использовании микроинверторной конфигурации, но не при струнной. В результате достигается максимальный сбор энергии от микроинверторной установки. Системы с микроинверторами также легче масштабировать при изменении энергопотребления со временем. Поскольку каждая солнечная панель и микроинвертор представляют собой небольшую автономную систему, добавление одной или нескольких панелей просто увеличит выработку энергии, если общая электрическая группа в доме или здании не превышает допустимую мощность. В отличие от этого, при использовании струнных инверторов размер инвертора должен соответствовать количеству панелей или пиковой мощности. Возможно выбрать струнный инвертор большей мощности, если планируется расширение в будущем, но такое резервирование на случай неопределенности в любом случае увеличивает затраты. Мониторинг и обслуживание также упрощены, поскольку многие производители микроинверторов предоставляют приложения или веб-сайты для контроля выходной мощности своих устройств. Во многих случаях это проприетарные решения, но не всегда. После прекращения деятельности Enecsys и закрытия их сайта появилось множество частных сайтов, таких как Enecsys Monitoring, чтобы владельцы могли продолжать отслеживать работу своих систем.

Трифазные микроинверторы

Для эффективного преобразования постоянного тока в переменный инвертору необходимо накапливать энергию от панели, пока напряжение переменного тока в сети близко к нулю, а затем отдавать её обратно при повышении напряжения. Это требует значительного объема накопления энергии в компактном корпусе. Наиболее экономичным вариантом для необходимого объема накопления является электролитический конденсатор, однако они имеют относительно небольшой срок службы, обычно измеряемый годами, который сокращается при работе в условиях высоких температур, например, на солнечной панели, установленной на крыше. Это стимулировало значительные разработки со стороны производителей микроинверторов, которые представили различные топологии преобразования с уменьшенными требованиями к накоплению энергии, некоторые из которых используют менее производительные, но значительно более долговечные тонкопленочные конденсаторы, где это возможно. Трехфазное электропитание представляет собой еще одно решение этой проблемы. В трехфазной цепи мощность не колеблется между, скажем, +120 и -120 В между двумя линиями, а изменяется между 60 и +120 или -60 и 120 В, при этом периоды изменения значительно короче. Инверторы, предназначенные для работы в трехфазных системах, требуют значительно меньшего объема накопления энергии. Трехфазный микроинвертор с использованием коммутации на нулевом напряжении также может обеспечить более высокую плотность схемы и компоненты с более низкой стоимостью, одновременно повышая эффективность преобразования до более чем 98%, что превосходит типичный пик однофазных инверторов около 96%. Однако трехфазные системы обычно используются только в промышленных и коммерческих масштабах. На этих рынках, как правило, устанавливаются более крупные массивы, где ценовая чувствительность особенно высока. Распространение трехфазных микроинверторов, несмотря на любые теоретические преимущества, остается очень низким.

Портативные устройства

Складывающаяся солнечная панель с микроинверторами переменного тока может использоваться для подзарядки ноутбуков и некоторых электромобилей.

История

Концепция микроинвертора существует с момента зарождения солнечной индустрии. Однако постоянные производственные затраты, такие как стоимость трансформатора или корпуса, снижались с увеличением размера, что делало более крупные устройства изначально более экономичными в пересчете на ватт мощности. Небольшие инверторы были доступны у таких компаний, как ExelTech и другие, но это были лишь уменьшенные версии больших моделей с низкой стоимостной эффективностью, ориентированные на узкоспециализированные рынки.

Ранние примеры

В 1991 году американская компания Ascension Technology начала работу над устройством, по сути являвшимся уменьшенной версией традиционного инвертора, предназначенного для монтажа на панель и формирования AC-панели. Эта конструкция была основана на обычном линейном регуляторе, который не отличается особой эффективностью и выделяет значительное количество тепла. В 1994 году они отправили образец в лабораторию Sandia Labs для тестирования. В 1997 году Ascension объединила усилия с американской компанией по производству панелей ASE Americas для выпуска панели SunSine мощностью 300 Вт. История разработки того, что сегодня можно было бы назвать «настоящим» микроинвертором, восходит к концу 1980-х годов и работе Вернера Клейнкауфа в ISET (Institut für Solare Energieversorgungstechnik), ныне Институте Фраунгофера по энергетике ветра и технологиям энергоснабжения. Эти разработки были основаны на современной высокочастотной импульсной технологии источников питания, которая значительно эффективнее. Его работа над «модульными интегральными преобразователями» оказала большое влияние, особенно в Европе. В 1993 году компания Mastervolt представила свой первый сетевой инвертор Sunmaster 130S, разработанный в результате сотрудничества между Shell Solar, Ecofys и ECN. Модель 130 была спроектирована для непосредственного монтажа на заднюю часть панели, с соединением линий переменного и постоянного тока посредством компрессионных фитингов. В 2000 году модель 130 была заменена на Soladin 120 – микроинвертор в виде адаптера переменного тока, позволяющий подключать панели, просто вставляя их в любую розетку. В 1995 году OKE Services разработала новую высокочастотную версию с улучшенной эффективностью, которая была коммерциализирована как OK4 100 в 1995 году компанией NKF Kabel и перебрендирована для продаж в США как Trace Microsine. Новая версия, OK4All, отличалась повышенной эффективностью и более широким диапазоном рабочих характеристик. Несмотря на многообещающее начало, к 2003 году большинство этих проектов были завершены. Ascension Technology была приобретена компанией Applied Power Corporation, крупным интегратором. В 2002 году APC, в свою очередь, была приобретена компанией Schott, и производство SunSine было прекращено в пользу существующих разработок Schott. NKF прекратила производство серии OK4 в 2003 году после отмены программы субсидирования. Mastervolt перешла к выпуску линейки «мини-инверторов», сочетающих простоту использования модели 120 в системе, рассчитанной на поддержку до 600 Вт панелей.

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.

Энфаза

После краха телекоммуникаций 2001 года Мартин Форнадж из корпорации Cerent искал новые проекты. Когда он увидел низкую эффективность струнного инвертора для солнечной батареи на своем ранчо, он нашел интересующий его проект. В 2006 году он основал Enphase Energy вместе с другим инженером Cerent, Рагху Белуром, и в течение следующего года они применили свой опыт в области телекоммуникационного проектирования для решения проблемы инвертора. Выпущенная в 2008 году модель Enphase M175 стала первым коммерчески успешным микроинвертором. Модель M190 была представлена в 2009 году, а последняя модель, M215, – в 2011 году. Поддержанная 100 миллионами долларов частных инвестиций, Enphase быстро увеличила свою долю рынка до 13% к середине 2010 года, стремясь к 20% к концу года, и выпустила свой миллионный инвертор в сентябре того же года. В начале 2011 года компания объявила о продаже ребрендированных версий нового дизайна компанией Siemens напрямую электромонтажным организациям для широкого распространения. Enphase заключила соглашение с EnergyAustralia о продвижении своей технологии микроинверторов.

Основные игроки

Успех Enphase не остался незамеченным, и с 2010 года появилось множество конкурентов, которые в основном покинули рынок. Многие из этих продуктов были идентичны M190 по характеристикам, а также по конструкции корпуса и деталям монтажа. Некоторые конкурировали с Enphase напрямую по цене или производительности, в то время как другие ориентировались на нишевые рынки. К этой сфере также присоединились крупные компании: SMA, Enecsys и iEnergy. Продукт OK4 All, обновленный OKE Services, был приобретен компанией SMA в 2009 году и выпущен под названием SunnyBoy 240 после длительной разработки, а Power One представила AURORA 250 и 300. Среди других крупных игроков в 2010 году были Enecsys и SolarBridge Technologies, особенно за пределами североамериканского рынка. В 2021 году единственным микроинвертором, производимым в США, является продукт компании Chilicon Power. С 2009 года несколько компаний из Европы и Китая, включая крупных производителей центральных инверторов, начали выпускать микроинверторы, что подтверждает микроинвертор как устоявшуюся технологию и один из самых значительных технологических сдвигов в солнечной энергетике за последние годы. APsystems предлагает инверторы для подключения до четырех солнечных модулей, включая трехфазный YC1000 с выходной мощностью переменного тока до 1130 Вт. За прошедшие годы количество производителей сократилось как из-за банкротств, так и в результате консолидации. В 2019 году в число оставшихся компаний входили Enphase (приобрела SolarBridge в 2021 году), Omnik Solar и Chilicon Power (приобретена Generac в июле 2021 года). В июле 2021 года в список крупных компаний солнечной энергетики, сотрудничающих с производителями микроинверторов для производства и продажи солнечных панелей с переменным током, входят BenQ, Canadian Solar, LG, NESL, SunPower, Sharp Solar, Suntech, Siemens, Trina Solar и Qcells.

Снижение цен

В период с 2009 по 2012 год на рынке фотоэлектрической энергии наблюдалось беспрецедентное падение цен. 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 широко предлагались оптом по цене от 65 до 70 центов за Вт, а струнные инверторы – от 30 до 35 центов за Вт. Для сравнения, микроинверторы оказались относительно устойчивыми к подобному снижению цен, снизившись с примерно 65 центов за Вт до 50-55 центов за Вт с учетом стоимости кабелей. Это может привести к росту убытков у поставщиков, стремящихся сохранить конкурентоспособность.