Солнечный инвертор или фотоэлектрический (PV) инвертор — это тип инвертора мощности , который преобразует переменный постоянный ток (DC) на выходе фотоэлектрической солнечной панели в переменный ток (AC) частоты сети , который может подаваться в коммерческую электросеть или использоваться локальной, автономной электрической сетью. Это критический баланс системы (BOS) — компонент в фотоэлектрической системе , позволяющий использовать обычное оборудование с питанием от переменного тока. Инверторы солнечной энергии имеют специальные функции, адаптированные для использования с фотоэлектрическими массивами, включая отслеживание точки максимальной мощности и защиту от островков .
Солнечные инверторы можно разделить на четыре основных типа: [2]
Солнечные инверторы используют отслеживание точки максимальной мощности (MPPT) для получения максимально возможной мощности от массива фотоэлектрических элементов. [3] Солнечные элементы имеют сложную взаимосвязь между солнечным излучением , температурой и общим сопротивлением, которая создает нелинейную выходную эффективность, известную как кривая IV . Целью системы MPPT является выборка выходных данных элементов и определение сопротивления (нагрузки) для получения максимальной мощности для любых заданных условий окружающей среды. [4]
Коэффициент заполнения , более известный по аббревиатуре FF , является параметром, который в сочетании с напряжением разомкнутой цепи (V oc ) и током короткого замыкания (I sc ) панели определяет максимальную мощность солнечного элемента. Коэффициент заполнения определяется как отношение максимальной мощности солнечного элемента к произведению V oc и I sc . [5]
Существует три основных типа алгоритмов MPPT : возмущение и наблюдение, инкрементная проводимость и постоянное напряжение. [6] Первые два метода часто называют методами восхождения на холм ; они основаны на кривой мощности, построенной против напряжения, которая возрастает слева от точки максимальной мощности и падает справа. [7]
Ключевая роль инверторов, взаимодействующих с сетью или синхронных инверторов или просто инверторов, связанных с сетью (GTI), заключается в синхронизации фазы, напряжения и частоты линии электропередачи с сетью. [8] Солнечные инверторы, связанные с сетью, предназначены для быстрого отключения от сети в случае отключения коммунальной сети . Это требование NEC , которое гарантирует, что в случае отключения электроэнергии инвертор, связанный с сетью, отключится, чтобы не допустить нанесения вреда рабочим, которых он производит, отправляемым для ремонта электросети .
Сетевые инверторы, доступные сегодня на рынке, используют ряд различных технологий. Инверторы могут использовать более новые высокочастотные трансформаторы , обычные низкочастотные трансформаторы или не иметь трансформатора. Вместо преобразования постоянного тока напрямую в 120 или 240 вольт переменного тока, высокочастотные трансформаторы используют компьютеризированный многоступенчатый процесс, который включает преобразование мощности в высокочастотный переменный ток, а затем обратно в постоянный ток, а затем в конечное выходное напряжение переменного тока. [9]
Исторически существовали опасения по поводу подачи бестрансформаторных электрических систем в коммунальную сеть. Опасения возникают из-за отсутствия гальванической развязки между цепями постоянного и переменного тока, что может привести к прохождению опасных неисправностей постоянного тока в сторону переменного тока. [10] С 2005 года NEC NFPA разрешает бестрансформаторные (или негальванически изолированные) инверторы. VDE 0126-1-1 и IEC 6210 также были изменены, чтобы разрешить и определить механизмы безопасности, необходимые для таких систем. В первую очередь, для обнаружения возможных неисправностей используется обнаружение остаточного или заземляющего тока. Также проводятся испытания изоляции для обеспечения разделения постоянного тока и переменного тока.
Многие солнечные инверторы предназначены для подключения к коммунальной сети и не будут работать, если не обнаружат наличие сети. Они содержат специальные схемы для точного соответствия напряжению, частоте и фазе сети. Если сеть не обнаружена, сетевые инверторы не будут вырабатывать электроэнергию, чтобы избежать изолирования , которое может вызвать проблемы безопасности.
Современные инверторы для солнечных насосов преобразуют постоянное напряжение от солнечной батареи в переменное напряжение для непосредственного управления погружными насосами без необходимости использования батарей или других устройств хранения энергии. Используя MPPT (отслеживание точки максимальной мощности), инверторы для солнечных насосов регулируют выходную частоту для управления скоростью насосов, чтобы защитить двигатель насоса от повреждения. [ необходима цитата ]
Солнечные насосные инверторы обычно имеют несколько портов для ввода постоянного тока, генерируемого фотоэлектрическими батареями, один порт для вывода переменного напряжения и еще один порт для ввода сигнала от датчика уровня воды.
Трехфазный инвертор — это тип солнечного микроинвертора, специально разработанный для подачи трехфазной электроэнергии . В обычных конструкциях микроинверторов, работающих с однофазным питанием, энергия от панели должна сохраняться в течение периода, когда напряжение проходит через ноль, что происходит дважды за цикл (при 50 или 60 Гц ). В трехфазной системе на протяжении всего цикла один из трех проводов имеет положительное (или отрицательное) напряжение , поэтому потребность в сохранении может быть значительно снижена за счет передачи выходного сигнала панели на разные провода в течение каждого цикла. Сокращение сохранения энергии значительно снижает цену и сложность оборудования преобразователя, а также потенциально увеличивает его ожидаемый срок службы.
Обычная переменная мощность тока представляет собой синусоидальный рисунок напряжения, который повторяется в течение определенного периода. Это означает, что в течение одного цикла напряжение проходит через ноль два раза. В европейских системах напряжение на вилке имеет максимум 230 В и циклирует 50 раз в секунду, что означает, что есть 100 раз в секунду, когда напряжение равно нулю, в то время как североамериканские производные системы имеют 120 В 60 Гц или 120 нулевых напряжений в секунду.
Недорогие инверторы могут преобразовывать постоянный ток в переменный, просто включая и выключая сторону постоянного тока питания 120 раз в секунду, инвертируя напряжение через цикл. Результатом является прямоугольная волна, которая достаточно близка к переменному току для многих устройств. Однако такое решение бесполезно в случае солнечной энергии, где цель состоит в том, чтобы преобразовать как можно больше энергии из солнечной энергии в переменный ток. Если использовать эти недорогие типы инверторов, вся мощность, вырабатываемая в то время, когда сторона постоянного тока отключена, просто теряется, и это составляет значительную часть каждого цикла.
Чтобы решить эту проблему, солнечные инверторы используют некую форму хранения энергии для буферизации мощности панели в периоды перехода через ноль. Когда напряжение переменного тока превышает напряжение в хранилище, оно сбрасывается на выход вместе с любой энергией, вырабатываемой панелью в этот момент. Таким образом, энергия, вырабатываемая панелью в течение всего цикла, в конечном итоге отправляется на выход.
Проблема с этим подходом заключается в том, что необходимое количество энергии для хранения при подключении к типичной современной солнечной панели может быть экономически обеспечено только за счет использования электролитических конденсаторов . Они относительно недороги, но имеют хорошо известные режимы деградации, что означает, что их ожидаемый срок службы составляет порядка десятилетия. Это привело к большим дебатам в отрасли по поводу того, являются ли микроинверторы хорошей идеей, потому что когда эти конденсаторы начинают выходить из строя в конце своего ожидаемого срока службы, их замена потребует снятия панелей, часто на крыше.
По сравнению с обычным бытовым током по двум проводам, ток на стороне поставки электросети использует три провода и фазы. В любой момент времени сумма этих трех всегда положительна (или отрицательна). Таким образом, хотя любой провод в трехфазной системе претерпевает события пересечения нуля точно так же, как и бытовой ток, система в целом этого не делает, она просто колеблется между максимальным и немного более низким значением.
Микроинвертор, разработанный специально для трехфазного питания, может устранить большую часть необходимого хранения, просто выбрав, какой провод ближе всего к его собственному рабочему напряжению в любой момент времени. Простая система могла бы просто выбрать провод, который ближе всего к максимальному напряжению, переключаясь на следующую линию, когда она начинает приближаться к максимуму. В этом случае система должна хранить только количество энергии от пика до минимума цикла в целом, что намного меньше как по разнице напряжений, так и по времени.
Это можно улучшить еще больше, выбрав провод, который ближе всего к его собственному постоянному напряжению в любой момент времени, вместо переключения с одного на другой чисто по таймеру. В любой момент времени два из трех проводов будут иметь положительное (или отрицательное) напряжение, и использование того, который ближе к стороне постоянного тока, позволит воспользоваться небольшими улучшениями эффективности в аппаратном обеспечении преобразования.
Сокращение или полное устранение требований к хранению энергии упрощает устройство и устраняет один компонент, который, как ожидается, будет определять его срок службы. Вместо десятилетия можно построить трехфазный микроинвертор, который прослужит весь срок службы панели. Такое устройство также будет менее дорогим и менее сложным, хотя и за счет необходимости подключения каждого инвертора ко всем трем линиям, что, возможно, приведет к увеличению количества проводов.
Основным недостатком концепции трехфазного инвертора является то, что только объекты с трехфазным питанием могут использовать преимущества этих систем. Трехфазный инвертор легко доступен на объектах коммунального и коммерческого масштаба, и именно на эти рынки были нацелены системы. Однако основные преимущества концепции микроинвертора связаны с проблемами затенения и ориентации панелей, и в случае больших систем их легко решить, просто переместив панели. Преимущества трехфазного микроинвертора весьма ограничены по сравнению с жилым случаем с ограниченным пространством для работы.
По состоянию на 2014 год наблюдатели считали, что трехфазные микроинверторы еще не достигли той ценовой отметки, где их преимущества кажутся стоящими. Более того, ожидается, что расходы на электропроводку для трехфазных микроинверторов будут выше.
Важно противопоставить собственный трехфазный инвертор трем однофазным микроинверторам, подключенным к выходу в трехфазном режиме. Последнее является относительно распространенной особенностью большинства конструкций инверторов, позволяя вам соединить три идентичных инвертора вместе, каждый через пару проводов в трехфазной цепи. Результатом является трехфазное питание, но каждый инвертор в системе выводит одну фазу. Такого рода решения не используют преимущества сокращенных потребностей в хранении энергии, описанные выше.
Солнечный микроинвертор — это инвертор, предназначенный для работы с одним фотоэлектрическим модулем. Микроинвертор преобразует постоянный ток на выходе каждой панели в переменный ток . Его конструкция позволяет параллельно подключать несколько независимых блоков модульным способом. [11]
К преимуществам микроинвертора относятся оптимизация энергопотребления одной панели, независимая работа каждой панели, установка по принципу «включай и работай», улучшенная установка и пожарная безопасность, минимизация затрат за счет проектирования системы и минимизация складских запасов.
Исследование 2011 года в Appalachian State University сообщает, что индивидуальная интегрированная инверторная установка выдала примерно на 20% больше мощности в незатененных условиях и на 27% больше мощности в затененных условиях по сравнению с последовательной установкой с использованием одного инвертора. Обе установки использовали идентичные солнечные панели. [12]
Солнечный микроинвертор , или просто микроинвертор , представляет собой подключаемое устройство, используемое в фотоэлектричестве , которое преобразует постоянный ток (DC), вырабатываемый одним солнечным модулем , в переменный ток (AC). Микроинверторы отличаются от обычных строчных и центральных солнечных инверторов, в которых один инвертор подключен к нескольким солнечным панелям. Выход нескольких микроинверторов можно объединить и часто подавать в электрическую сеть .
Микроинверторы имеют несколько преимуществ по сравнению с обычными инверторами. Главное преимущество заключается в том, что они электрически изолируют панели друг от друга, поэтому небольшое количество затенения, мусора или снега на любом солнечном модуле или даже полный отказ модуля не приводят к непропорциональному снижению выходной мощности всего массива. Каждый микроинвертор собирает оптимальную мощность, выполняя отслеживание точки максимальной мощности (MPPT) для подключенного к нему модуля. [13] Простота конструкции системы, провода с меньшей силой тока, упрощенное управление запасами и дополнительная безопасность — другие факторы, представленные в решении микроинвертора.
Основные недостатки микроинвертора включают более высокую начальную стоимость оборудования на пиковый ватт , чем эквивалентная мощность центрального инвертора, поскольку каждый инвертор необходимо устанавливать рядом с панелью (обычно на крыше). Это также затрудняет их обслуживание и делает более дорогостоящим их демонтаж и замену. Некоторые производители решили эти проблемы с помощью панелей со встроенными микроинверторами. [14] Микроинвертор часто имеет более длительный срок службы, чем центральный инвертор, который потребует замены в течение срока службы солнечных панелей. Таким образом, финансовый недостаток на первый взгляд может стать преимуществом в долгосрочной перспективе.
Оптимизатор мощности — это тип технологии, аналогичный микроинвертору, который также использует отслеживание максимальной точки мощности на уровне панели, но не преобразует ее в переменный ток для каждого модуля.
Солнечные панели вырабатывают постоянный ток при напряжении, которое зависит от конструкции модуля и условий освещения. Современные модули, использующие 6-дюймовые ячейки, обычно содержат 60 ячеек и вырабатывают номинальные 24-30 В. [15] (поэтому инверторы готовы к 24-50 В).
Для преобразования в переменный ток панели могут быть соединены последовательно, чтобы создать массив, который фактически представляет собой одну большую панель с номинальным напряжением от 300 до 600 В постоянного тока. [a] [ требуется обновление ] Затем энергия поступает на инвертор, который преобразует ее в стандартное напряжение переменного тока, обычно 230 В переменного тока / 50 Гц или 240 В переменного тока / 60 Гц. [16]
Основная проблема подхода с использованием инвертора строки заключается в том, что строка панелей действует так, как если бы она была одной большой панелью с максимальным номинальным током, эквивалентным самому плохому элементу в строке. Например, если одна панель в строке имеет сопротивление на 5% выше из-за незначительного производственного дефекта, вся строка теряет 5% производительности. Эта ситуация является динамической. Если панель затенена, ее выход резко падает, влияя на выход строки, даже если другие панели не затенены. Даже небольшие изменения в ориентации могут вызвать потерю выходного сигнала таким образом. В отрасли это известно как «эффект рождественских огней», ссылаясь на то, как вся строка последовательно соединенных рождественских елочных огней выйдет из строя, если выйдет из строя одна лампочка. [17] Однако этот эффект не совсем точен и игнорирует сложное взаимодействие между современным отслеживанием точки максимальной мощности инвертора строки и даже диодами обхода модуля . Исследования затенения, проведенные крупными компаниями, производящими микроинверторы и оптимизаторы постоянного тока, показывают небольшой годовой прирост в условиях легкой, средней и сильной затененности – 2%, 5% и 8% соответственно – по сравнению со старым строчным инвертором [18]
Кроме того, эффективность выходной мощности панели сильно зависит от нагрузки, которую на нее накладывает инвертор. Чтобы максимизировать производительность, инверторы используют технику, называемую отслеживанием точки максимальной мощности , чтобы обеспечить оптимальный сбор энергии путем регулировки приложенной нагрузки. Однако те же проблемы, которые приводят к изменению выходной мощности от панели к панели, влияют на правильную нагрузку, которую должна применять система MPPT. Если одна панель работает в другой точке, строчный инвертор может видеть только общее изменение и перемещает точку MPPT для соответствия. Это приводит не только к потерям от затененной панели, но и от других панелей. Затенение всего лишь 9% поверхности массива может в некоторых обстоятельствах снизить мощность всей системы на 54%. [19] [20] Однако, как указано выше, эти годовые потери урожайности относительно невелики, и более новые технологии позволяют некоторым строчным инверторам значительно снизить эффекты частичного затенения. [21]
Другая проблема, хотя и незначительная, заключается в том, что строчные инверторы доступны в ограниченном выборе номинальных мощностей. Это означает, что заданный массив обычно увеличивает размер инвертора до следующей по величине модели по сравнению с номиналом массива панелей. Например, массив из 10 панелей мощностью 2300 Вт может использовать инвертор мощностью 2500 или даже 3000 Вт, оплачивая возможности преобразования, которые он не может использовать. Эта же проблема затрудняет изменение размера массива с течением времени, добавляя мощность, когда есть средства (модульность). Если клиент изначально приобрел инвертор мощностью 2500 Вт для своих панелей мощностью 2300 Вт, он не может добавить даже одну панель, не перегрузив инвертор. Однако такое превышение размера считается обычной практикой в современной отрасли (иногда до 20% по сравнению с паспортной мощностью инвертора) для учета деградации модуля, более высокой производительности в зимние месяцы или для достижения более высокой обратной 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 шумят, поэтому необходимо учитывать расположение инвертора относительно офисов и занятых зон. А поскольку вентиляторы охлаждения имеют движущиеся части, грязь, пыль и влага могут со временем негативно повлиять на их производительность. Струнные инверторы тише, но могут издавать гудящий шум во второй половине дня, когда мощность инвертора низкая.
Микроинверторы — это небольшие инверторы, рассчитанные на обработку выходной мощности одной панели или пары панелей. Сетевые панели обычно имеют номинальную мощность от 225 до 275 Вт, но редко производят ее на практике, поэтому микроинверторы обычно имеют номинальную мощность от 190 до 220 Вт (иногда 100 Вт). [ требуется обновление ] Поскольку он работает в этой точке меньшей мощности, многие проблемы конструкции, присущие более крупным конструкциям, просто исчезают; необходимость в большом трансформаторе , как правило, устраняется, большие электролитические конденсаторы можно заменить более надежными тонкопленочными, а нагрузка на охлаждение снижается, поэтому вентиляторы не нужны. Среднее время между отказами (MTBF) указывается в сотнях лет. [22]
Микроинвертор, подключенный к одной панели, позволяет изолировать и настраивать выход этой панели. Любая панель, которая работает недостаточно хорошо, не оказывает никакого влияния на панели вокруг нее. В этом случае массив в целом вырабатывает на 5% больше энергии, чем при использовании строчного инвертора. Если учесть затенение, если оно присутствует, эти выгоды могут стать значительными, при этом производители обычно заявляют о 5% лучшей производительности как минимум, а в некоторых случаях и до 25% лучше. [22] Кроме того, одну модель можно использовать с широким спектром панелей, новые панели можно добавлять к массиву в любое время, и они не обязательно должны иметь тот же рейтинг, что и существующие панели.
Микроинверторы вырабатывают сетевую мощность переменного тока непосредственно на задней стороне каждой солнечной панели. Массивы панелей подключаются параллельно друг к другу, а затем к сети. Это имеет главное преимущество, заключающееся в том, что одна неисправная панель или инвертор не может отключить всю цепочку. В сочетании с более низкими энергетическими и тепловыми нагрузками и улучшенным средним временем безотказной работы некоторые предполагают, что общая надежность массива системы на основе микроинвертора значительно выше, чем на основе инвертора цепочки. [ необходима цитата ] Это утверждение подтверждается более длительными гарантиями, обычно от 15 до 25 лет, по сравнению с 5 или 10 годами гарантии, которые более типичны для инверторов цепочки. Кроме того, когда возникают неисправности, их можно идентифицировать с точностью до одной точки, а не для всей цепочки. Это не только упрощает изоляцию неисправностей, но и выявляет мелкие проблемы, которые в противном случае могли бы остаться незамеченными — одна неисправная панель может не повлиять на выход длинной цепочки настолько, чтобы это было заметно.
Главным недостатком концепции микроинвертора до недавнего времени была стоимость. Поскольку каждый микроинвертор должен дублировать большую часть сложности строчного инвертора, но распределять это на меньшую номинальную мощность, затраты на ватт больше. Это нивелирует любое преимущество с точки зрения упрощения отдельных компонентов. По состоянию на февраль 2018 года центральный инвертор стоит приблизительно 0,13 доллара за ватт, тогда как микроинвертор стоит приблизительно 0,34 доллара за ватт. [23] Как и в случае строчных инверторов, экономические соображения заставляют производителей ограничивать количество выпускаемых ими моделей. Большинство выпускают одну модель, которая может быть больше или меньше по размеру при сопоставлении с определенной панелью.
Во многих случаях упаковка может существенно влиять 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 микроинвертора, превышающих примерно 15 панелей, может также потребоваться монтируемый на крыше «объединительный» выключатель. Это может увеличить общую цену за ватт.
Для дальнейшего снижения затрат некоторые модели управляют двумя или тремя панелями с инвертора, что снижает расходы на упаковку и сопутствующие расходы. Некоторые системы помещают два целых микро в один корпус, в то время как другие дублируют только секцию MPPT системы и используют один каскад DC-AC для дальнейшего снижения затрат. Некоторые предполагают, что такой подход сделает микроинверторы сопоставимыми по стоимости с теми, которые используют строчные инверторы. [24] С неуклонным снижением цен, внедрением двойных микроинверторов и появлением более широкого [25] выбора моделей для более точного соответствия выходу фотоэлектрического модуля, стоимость становится меньшим препятствием.
Микроинверторы стали обычным явлением там, где размеры массивов невелики и максимизация 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 фиксированном размере массива может компенсировать эту разницу в стоимости. По этой причине микроинверторы оказались наиболее успешными на рынке жилых помещений, где ограниченное пространство для панелей ограничивает размер массива, а затенение от близлежащих деревьев или других объектов часто является проблемой. Производители микроинверторов перечисляют множество установок, некоторые из которых размером с одну панель, а большинство — менее 50. [26]
Часто упускаемый из виду недостаток микроинверторов — будущие расходы на эксплуатацию и техническое обслуживание, связанные с ними. Хотя технология совершенствовалась с годами, факт остается фактом: устройства в конечном итоге либо выйдут из строя, либо изнашиваются [ необходима цитата ] . Установщик должен сопоставить эти расходы на замену (около 400 долларов за один выезд), повышенные риски для безопасности персонала, оборудования и стеллажей модулей с прибылью от установки. Для домовладельцев возможный износ или преждевременные отказы устройств приведут к потенциальному повреждению черепицы или гонта, повреждению имущества и другим неприятностям.
Хотя микроинверторы, как правило, имеют более низкую эффективность, чем строчные инверторы, общая эффективность увеличивается из-за того, что каждый инвертор/панельный блок действует независимо. В строчной конфигурации, когда панель на строчке затенена, выход всей строки панелей уменьшается до выхода панели с самой низкой производительностью. [ необходима цитата ] Это не относится к микроинверторам.
Еще одно преимущество заключается в качестве выходной мощности панели. Номинальная мощность любых двух панелей в одном производственном цикле может отличаться на 10% и более. Это компенсируется конфигурацией микроинвертора, но не конфигурацией строки. Результатом является максимальный сбор мощности из массива микроинвертора.
Системы с микроинверторами также можно легко менять, когда потребности в энергии растут или уменьшаются с течением времени. Поскольку каждая солнечная панель и микроинвертор являются небольшой системой сами по себе, они действуют в определенной степени независимо. Это означает, что добавление одной или нескольких панелей просто обеспечит больше энергии, пока объединенная электрическая группа в доме или здании не превышает свои пределы. Напротив, в случае с инверторами на основе цепочек размер инвертора должен соответствовать количеству панелей или величине пиковой мощности. Выбор инвертора на основе цепочек большего размера возможен, когда предвидится будущее расширение, но такое положение дел на неопределенное будущее в любом случае увеличивает расходы.
Мониторинг и обслуживание также стали проще, поскольку многие производители микроинверторов предоставляют приложения или веб-сайты для мониторинга выходной мощности своих устройств. Во многих случаях они являются фирменными; однако это не всегда так. После распада Enecsys и последующего закрытия их сайта возникло несколько частных сайтов, таких как Enecsys-Monitoring [27], чтобы владельцы могли продолжать контролировать свои системы.
Эффективное преобразование постоянного тока в переменный ток требует, чтобы инвертор хранил энергию от панели, пока напряжение переменного тока в сети близко к нулю, а затем снова выдавал ее, когда оно повышается. Это требует значительного количества накопленной энергии в небольшом корпусе. Самым дешевым вариантом для требуемого количества накопления является электролитический конденсатор, но у них относительно короткий срок службы, обычно измеряемый годами, и этот срок службы короче при работе в горячем состоянии, как на солнечной панели на крыше. Это привело к значительным усилиям по разработке со стороны разработчиков микроинверторов, которые представили различные топологии преобразования с пониженными требованиями к хранению, некоторые из которых используют гораздо менее производительные, но гораздо более долговечные тонкопленочные конденсаторы , где это возможно.
Трехфазная электрическая мощность представляет собой еще одно решение проблемы. В трехфазной цепи мощность не меняется между (скажем) +120 и -120 В между двумя линиями, а вместо этого меняется между 60 и +120 или -60 и -120 В, и периоды изменения намного короче. Инверторы, предназначенные для работы в трехфазных системах, требуют гораздо меньшего объема памяти. [28] [29] Трехфазный микроконтроллер, использующий переключение при нулевом напряжении, также может предложить более высокую плотность цепи и более дешевые компоненты, одновременно повышая эффективность преобразования до более чем 98%, что лучше типичного однофазного пика около 96%. [30]
Однако трехфазные системы обычно встречаются только в промышленных и коммерческих условиях. На этих рынках обычно устанавливаются более крупные массивы, где ценовая чувствительность самая высокая. Внедрение трехфазных микро, несмотря на любые теоретические преимущества, кажется очень низким.
Складную солнечную панель с микроинверторами переменного тока можно использовать для подзарядки ноутбуков и некоторых электромобилей .
Концепция микроинвертора существовала в солнечной энергетике с момента ее зарождения. Однако фиксированные издержки производства, такие как стоимость трансформатора или корпуса, выгодно масштабировались с размером, и это означало, что более крупные устройства были изначально менее дорогими с точки зрения цены за ватт . Небольшие инверторы были доступны у таких компаний, как ExelTech и других, но это были просто уменьшенные версии более крупных конструкций с плохой ценовой производительностью и были нацелены на нишевые рынки.
В 1991 году американская компания Ascension Technology начала работу над тем, что по сути было уменьшенной версией традиционного инвертора, предназначенного для установки на панель 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. [31] В 1997 году Ascension объединилась с американской компанией по производству панелей ASE Americas, чтобы представить панель SunSine мощностью 300 Вт. [32]
Разработка того, что сегодня было бы признано «истинным» микроинвертором, ведет свою историю от конца 1980-х годов, когда Вернером Кляйнкауфом работал в ISET ( Institut für Solare Energieversorgungstechnik ), нынешнем Институте ветроэнергетики и технологий энергетических систем им. Фраунгофера . Эти разработки были основаны на современной технологии высокочастотного импульсного источника питания, которая намного эффективнее. Его работа над «модульно-интегрированными преобразователями» была очень влиятельной, особенно в Европе. [33]
В 1993 году Mastervolt представила свой первый сетевой инвертор Sunmaster 130S, созданный в результате совместных усилий Shell Solar, Ecofys и ECN. Модель 130 была разработана для установки непосредственно на заднюю часть панели, соединяя линии переменного и постоянного тока с помощью компрессионных фитингов . В 2000 году модель 130 была заменена на Soladin 120, микроинвертор в форме адаптера переменного тока , который позволяет подключать панели, просто вставляя их в любую розетку . [34]
В 1995 году компания OKE-Services разработала новую высокочастотную версию с улучшенной эффективностью, которая была представлена на рынке как OK4-100 в 1995 году компанией NKF Kabel и переименована для продаж в США в Trace Microsine. [35] Новая версия, OK4All, имела улучшенную эффективность и более широкий рабочий диапазон. [36]
Несмотря на многообещающее начало, к 2003 году большинство этих проектов были завершены. Ascension Technology была куплена Applied Power Corporation, крупным интегратором. APC, в свою очередь, была куплена Schott в 2002 году, и производство SunSine было отменено в пользу существующих разработок Schott. [37] NKF прекратила производство серии OK4 в 2003 году, когда закончилась программа субсидирования. [38] Mastervolt [39] перешла на линейку «мини-инверторов», объединяющих простоту использования 120 в системе, рассчитанной на поддержку панелей мощностью до 600 Вт. [40]
После краха Telecoms в 2001 году Мартин Форнаге из Cerent Corporation искал новые проекты. Когда он увидел низкую производительность инвертора для солнечных батарей на своем ранчо, он нашел проект, который искал. В 2006 году он основал Enphase Energy с другим инженером Cerent, Рагху Белуром, и они провели следующий год, применяя свои знания в области проектирования телекоммуникаций к проблеме инвертора. [41]
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. Поддержанная 100 миллионами долларов частного капитала, Enphase быстро выросла до 13% доли рынка к середине 2010 года, нацелившись на 20% к концу года. [41] Они отгрузили свой 500 000-й инвертор в начале 2011 года, [42] и свой 1 000 000-й в сентябре того же года. [43] В начале 2011 года они объявили, что переименованные версии новой конструкции будут продаваться Siemens напрямую подрядчикам по электротехнике для широкого распространения. [44]
Enphase подписала соглашение с EnergyAustralia о маркетинге своей технологии микроинвертора. [45]
Успех Enphase не остался незамеченным, и с 2010 года появилось множество конкурентов, которые в значительной степени покинули это пространство. Многие продукты были идентичны M190 по спецификациям, и даже по корпусу и деталям крепления. [46] Некоторые отличаются тем, что конкурируют с Enphase лицом к лицу по цене или производительности, [47] в то время как другие атакуют нишевые рынки. [48]
На рынок вышли также более крупные компании: SMA , Enecsys и iEnergy.
OKE-Services обновила продукт OK4-All, который был куплен SMA в 2009 году и выпущен как SunnyBoy 240 после длительного периода созревания, [49] в то время как Power-One представила AURORA 250 и 300. [50] Другими крупными игроками около 2010 года были Enecsys и SolarBridge Technologies , особенно за пределами североамериканского рынка. В 2021 году единственный микроинвертор, произведенный в США, был от Chilicon Power. [51] С 2009 года несколько компаний от Европы до Китая, включая крупных производителей центральных инверторов, запустили микроинверторы, подтвердив, что микроинвертор является устоявшейся технологией и одним из крупнейших технологических сдвигов в фотоэлектрической отрасли за последние годы. [52]
APsystems продает инверторы для четырех солнечных модулей и микроинверторов, включая трехфазный YC1000 с выходной мощностью переменного тока до 1130 Вт. [53]
Число производителей сократилось за эти годы, как за счет истощения, так и за счет консолидации. В 2019 году немногие оставшиеся включают Enphase , которая купила SolarBridge в 2021 году, Omnik Solar [54] и Chilicon Power (приобретенную Generac в июле 2021 года). [55]
В июле 2021 года список крупных фотоэлектрических компаний, которые сотрудничали с компаниями-производителями микроинверторов для производства и продажи солнечных панелей переменного тока, включал BenQ , Canadian Solar , LG , NESL , SunPower , Sharp Solar , Suntech , Siemens , Trina Solar и Qcells . [56] [57]
По состоянию на 2019 год эффективность преобразования для современных солнечных преобразователей достигла более 98 процентов. В то время как строчные инверторы используются в жилых и средних коммерческих фотоэлектрических системах , центральные инверторы охватывают большой рынок коммерческих и коммунальных масштабов. Доля рынка центральных и строчных инверторов составляет около 36 процентов и 61 процент соответственно, оставляя менее 2 процентов для микроинверторов. [58]
Период между 2009 и 2012 годами включал беспрецедентное падение цен на рынке фотоэлектрических систем. В начале этого периода оптовые цены на панели в целом составляли около 2,00–2,50 долл. США/Вт, а инверторы — около 50–65 центов/Вт. К концу 2012 года панели были широко доступны оптом по цене 65–70 центов, а строчные инверторы — около 30–35 центов/Вт. [59] Для сравнения, микроинверторы оказались относительно невосприимчивыми к таким же видам снижения цен, снизившись с 65 центов/Вт до 50–55, если учесть кабельную разводку. Это может привести к увеличению потерь, поскольку поставщики пытаются оставаться конкурентоспособными. [60]
