Для чего нужен и как работает инвертор солнечных батарей

Схема и принцип работы домашней электростанции

Имея только солнечную батарею, не получится использовать производимую ей электроэнергию для питания электрических приборов. Чтобы создать домашнюю электростанцию по стандартной схеме (с напряжением на выходе 220 В), кроме гелиопанели понадобится приобрести (или самостоятельно собрать) еще ряд устройств:

аккумуляторную батарею (АКБ);
контроллер;
инвертор.

Устройства должны соответствовать по своим рабочим характеристикам друг другу. Все подсоединения на участке цепи с постоянным током должны выполняться строго с соблюдением указанной полярности.

Работает схема так:

Вырабатываемое фотоэлементами солнечной панели напряжение подается на соответствующие клеммы контроллера. Прибор распределяет электроэнергию между потребителями и аккумулятором. Он контролирует величину заряда АКБ, защищая ее (от перезарядки или полной разрядки) и панель (от обратных токов).
Так как гелиопанель вырабатывает постоянный ток, то после контроллера (или аккумулятора) питание поступает на инвертор. Данный прибор предназначен для преобразования постоянного напряжения (величиной 12, 24 или 48 В) в переменное (220 В частотой 50 Гц).
После инвертора уже осуществляется подключение домашнего электрооборудования.

Аккумуляторы выполняют свою стандартную функцию – являются накопителями энергии. Заряжаются они в светлое время суток, а разрядка происходит ночью.

Для повышения уровня надежности электроснабжения устанавливают две аккумуляторные батареи: основную и резервную. Избыточная электроэнергия будет сохраняться в «резерве». Соединяют аккумуляторы последовательно или параллельно в зависимости от вольтажа АКБ и необходимой величины напряжения на их общем выходе. Пример представлен на иллюстрации:

Чтобы сэкономить, можно обойтись без контроллера или аккумулятора либо без обоих устройств. В первом случае понадобится постоянно следить за уровнем заряда АКБ и отключать их в ручном режиме. Если этого не делать, то аккумуляторы быстрее выйдут из строя, не будут оптимальным образом функционировать панели. При отсутствии аккумуляторной батареи электростанция будет функционировать только при достаточном уровне освещенности. Такой вариант подходит только для совместной работы с системой централизованного электроснабжения.

Бывают случаи, когда используются для освещения лампочки на 12 В постоянного напряжения. Тогда инвертор не нужен.

Для защиты участков цепей переменного и постоянного тока используют предохранители с соответствующим номиналом по силе тока. Гелиопанели от перегрева и перегрузок по напряжению спасают с помощью диодов. Их число рассчитывается по количеству фотоэлементов в схеме.

Чтобы повысить эффективность работы гелиопанелей, их можно оснастить поворотными механизмами. Последние разворачивают панели максимальной площадью к Солнцу, используя специальные датчики слежения за светилом.

Что такое автономный инвертор

Инвертором в технике электроснабжения называется устройство, обеспечивающее переход от постоянного напряжения к переменному.

Как один из функциональных модулей он входит в перечень обязательных блоков солнечной батареи и позволяет получить из постоянного тока стандартное сетевое однофазное или трехфазное напряжение.

В зависимости от конструктивных особенностей, применяемой схемы включения и перечня решаемых задач инвертор может иметь различное исполнение, что в схематической форме отражено на классификации рисунка.

Рисунок 1. Иерархия инверторов

Устройство вполне допустимо рассматривать как источник бесперебойного питания с расширенными функциональными возможностями.

При этом от обычных ИБП начального уровня он отличается в первую очередь следующими основными признаками:

содержит несколько равноправных входов для подключения к ним различных источников электрической энергии;
самостоятельно управляет источниками получения электроэнергии, обеспечивая нормируемое стандартами напряжение и частоту силовой сети во всем диапазоне разрешенных нагрузок;
обеспечивает полную развязку внешнего электрического ввода от внутридомовой сети, для которой функции источника электрической энергии вне зависимости от режима работы всегда берет на себя инвертор.

Последняя особенность определила общепринятое обозначение этого устройства как автономного инвертора.

Виды инверторов и их конструктивные особенности

Существует три вида инверторов для солнечных батарей, отличающихся по принципу своего действия: сетевые, автономные и гибридные (многофункциональные).

Сетевые

Сетевой инвертор для солнечных батарей работает совместно с централизованным электроснабжением. Помимо преобразования энергии в задачи таких установок входит контроль за напряжением и частотой тока внешней сети. Также они передают лишнее электричество в основную электросеть. Кстати, владелец фитоэлектростанции может неплохо на этом заработать, продавая излишки энергии частным компаниям.

Сетевые преобразователи электроэнергии создаются на основе емкостных диодов с низкочастотным модулятором. Чаще всего их используют для солнечных панелей в виде тарелок. Преимущества устройств в их компактности, высокой степени защиты и относительно быстрой скорости преобразования, при низком уровне энергопотребления.

Кроме своей основной функции сетевые инверторы имеют ряд дополнительных возможностей:

регулировка частоты напряжения;
регулировка амплитуды тока;
защита оборудования от перегрева;
защита сети от коротких замыканий;
некоторые модели оснащены Wi-Fi-связью, благодаря которой можно выводить информацию на экран телефона, планшета или ПК.

Сетевые устройства монтируются в электрическую цепь между солнечной батареей и электрической сетью 220-380 В. Их использование предполагает работу гелиостанции без накопительных аккумуляторов. Функционировать они могут только в дневное время, когда есть солнечный свет.

Автономные

Инверторы автономного типа включены в общую конструкцию солнечной электростанции и обеспечивают постоянное поступление к потребителям электроэнергии. Устройства данного вида преобразуют накопленную в АКБ энергию до требуемых параметров и направляют ее для дальнейшего использования.

Автономный инвертор для солнечных батарей

Автономные инверторы в зависимости от формы выходного сигнала по току, делятся на синусоидальные и квази-синусоидальные. Первые установки отличаются повышенными техническими параметрами, но при этом они более габаритные и стоят дороже. Это сужает круг потребителей, которые могут позволить себе такие устройства.Однако они обеспечивают надежную работу электроприборов, которые чувствительны к перепадам напряжения.

Автономные инверторы квази-синусоидального более востребованы нежели синусоидальные. Они меньше в размерах и стоимость их более доступная. Минус в том, что такое оборудование нежелательно устанавливать в местах с нестабильным электроснабжением, иначе чувствительные приборы могут просто сгореть от скачка напряжения.

Многофункциональные

Гибридный инвертор для солнечных батарей включил в себе преимущества первого и второго вида. Это самое надежное оборудование, обладающее большим количеством настроек:

повышает мощность сети при перегрузках;
продолжает работу при снижении напряжения;
исключает проблемы со счетчиками.

Многофункциональный тип инвертора подойдет как для домашней, так и для промышленной солнечной станции. Он может параллельно получать нагрузку из сети и от аккумуляторной батареи, выбирая, что в данной ситуации наиболее приоритетно. Единственный его недостаток — дороговизна.

Как добиться максимальной эффективности

При покупке солнечных батарей для дома очень важно подобрать конструкцию, которая сможет обеспечить жилище электроэнергией достаточной мощности. Считается, что эффективность солнечных батарей в пасмурную погоду составляет приблизительно 40 Вт на 1 квадратный метр за час. В действительности, в облачную погоду мощность света на уровне земли составляет приблизительно 200 Вт на квадратный метр, но 40 % солнечного света – это инфракрасное излучение, к которому солнечные батареи не восприимчивы

Также стоит учитывать, что КПД батареи редко превышает 25 %

В действительности, в облачную погоду мощность света на уровне земли составляет приблизительно 200 Вт на квадратный метр, но 40 % солнечного света – это инфракрасное излучение, к которому солнечные батареи не восприимчивы. Также стоит учитывать, что КПД батареи редко превышает 25 %.

Иногда энергия от интенсивного солнечного света может достигать 500 Вт на квадратный метр, но при расчетах стоит учитывать минимальные показатели, что позволит сделать систему автономного электроснабжения бесперебойной.

Каждый день солнце светит в среднем по 9 часов, если брать среднегодовой показатель. За один день квадратный метр поверхности преобразователя способен выработать 1 киловатт электроэнергии. Если за сутки жильцами дома израсходуется приблизительно 20 киловатт электроэнергии, то минимальная площадь солнечных панелей должна составлять приблизительно 40 квадратных метров.

Однако, такой показатель потребления электроэнергии на практике встречается редко. Как правило, жильцы израсходуют до 10 кВТ в сутки.

Если говорить о том, работают ли солнечные батареи зимой, то стоит помнить, что в данную пору года сильно снижается длительность светового дня, но, если обеспечить систему мощными аккумуляторами, то получаемой за день энергии должно быть достаточно с учетом наличия резервного аккумулятора.

При подборе солнечной батареи очень важно обращать внимание на емкость аккумуляторов. Если нужны солнечные батареи работающие ночью, то емкость резервного аккумулятора играет ключевую роль. Также устройство должно отличаться стойкостью к частой перезарядке

Также устройство должно отличаться стойкостью к частой перезарядке

Также устройство должно отличаться стойкостью к частой перезарядке.

Несмотря на тот факт, что стоимость установки солнечных батарей может превысить 1 миллион рублей, затраты окупятся уже в течении нескольких лет, поскольку энергия солнца абсолютно бесплатна.

Подключение инвертора к солнечной батарее

Необходимо приготовить кабель соответствующего сечения, способный выдерживать все возможные нагрузки. Необходимо учитывать, что длина соединительного кабеля между солнечными панелями и инвертором не должна превышать 3 м. Если потребители расположены далеко от модулей, удлиняют высоковольтное плечо — кабель на 220 В. Рассмотрим порядок присоединения прибора к комплекту солнечного оборудования:

Схема

Простейшая схема подключения инвертора — в разрыв между потребителями и аккумуляторами. Этот вариант используется для автономных устройств.

Наиболее сложная схема — для сетевых или гибридных приборов. Параллельно с АКБ подключается сетевое напряжение (на соответствующие контакты), тут же присоединяется нагрузка. Дополнительная пара контактов предназначена для резервируемой системы (резервное освещение, аварийное питание и т. п.). Выбор схемы зависит от назначения и конструкции инвертора, а также наличия подключения к централизованной сети.

Этапы

Процесс соединения приборов никаких сложностей не вызывает. Все контакты поименованы, главная задача — не перепутать их в спешке. Сначала собирают весь комплект — панели, контроллер, АКБ. После этого подключают инвертор и проверяют работоспособность. Обнаруженные ошибки сразу устраняют. Когда появляется полная уверенность в правильности всех соединений, подключают полезную нагрузку — приборы питания. С этого момента солнечные батареи считаются введенными в эксплуатацию.

По каким признакам различаются?

По типу применения подразделяют инверторы на 3 вида:

сетевые;
автономные;
многофункциональные.

Сетевые инверторы для солнечных батарей, также называемые синхронными, совместно работают с системой снабжения электричеством централизованной. Обозначают их «on grid».

Их роль не ограничивается преобразованием одной энергии в другую, а состоит также в корректировании параметров сети, таких как, частота, амплитудные перепады и прочие. Устройства способны отключаться автоматически при сбоях, случающихся во внешней цепи. Энергию они накапливают в аккумуляторах.

Вторые, обозначаемые как «off grid». С модулем солнечной батареи 220 инвертор подключается как часть обособленной системы. Они не имеют контакта с внешней электросетью, т.е. обеспечивают снабжение дома электроэнергией, независимо от работы источника централизованной ее подачи. Мощность таких инверторов лежит в диапазоне 100-8000Вт.

Инвертор выбирается с учетом постоянного тока, отталкиваясь от номинальной мощности солнечных панелей. То есть, если мощность всех включаемых одновременно бытовых устройств меньше, чем возможности конкретной электростанции, использующей энергию солнца, излишки можно направить во внешнюю цепь.

При ее недостаточности, чтобы работали все нужные приборы, производится внешняя подпитка. Если пропадает напряжение в доме, в работу включается аккумулятор. Аккумулированная станцией энергия, поступает в общую сеть.

Более эффективно солнечную энергию используют устройства сетевые. Они работают стабильно и всегда имеют высокое значение КПД – до 90%.

Они способны функционировать исключительно в светлое время и пригодны для питания подсоединенных к ним единичных приборов.

Критерии выбора преобразователя

При выборе такого элемента гелиосистемы как инвертор важна не только геометрия сигнала на выходе, но и его мощность. Специалисты советуют укомплектовывать солнечные батареи преобразователями, номинальная мощность которых выше суммарной мощности, имеющейся в томе техники, процентов на 25 – 30.

Необходимо также учитывать нагрузку, возникающую при единовременном включении нескольких приборов с большой пусковой мощностью.

Еще одним критерием при выборе инвертора является его КПД, определяющей потери энергии на сопутствующие процессы. В зависимости от модели он имеет разное значение, находящееся в пределах 85-95%. Оптимальный выбор — КПД не ниже 90%.

Инверторы бывают как однофазными, так и трехфазными. Первые отличаются более низкой стоимостью, но выбор их оправдан, когда потребляемая мощность составляет менее 10 кВт. Величина напряжения у них составляет 220В, а частота 50Гц. Трехфазные инверторы имеют диапазон напряжений более широкий — 315, 400, 690В.

Производители качественного оборудования укомплектовывают свои изделия трансформаторами выхода. Существует зависимость между весом инвертора и его техническими характеристиками — если на каждый кг его массы приходится 100 Вт мощности, значит, трансформатор включен в его схему

Разным может быть и количество инверторов в системе. В этом вопросе следует руководствоваться следующими рекомендациями: если мощность солнечных батарей не превышает 5 кВт, то для такой системы достаточно одного инвертора. Для батарей большей мощности может потребоваться 2 и больше инвертора. Оптимально, когда один инвертор приходится на каждые 5 кВт.

Для работы в сети, сочетающей использование стандартной электроэнергии и энергии, поставляемой солнечными батареями, применяются гибридные инверторы. С особенностями устройства и правилами их выбора ознакомит рекомендуемая нами статья.

Преобразователи могут отличаться друг от друга схемами, геометрией выходного сигнала, другими определяющими величинами. Отдельные преобразователи комплектуют зарядными устройствами. Если выйдет со строя один из инверторов, система не прекратит свою работу.

Сколько служат солнечные батареи?

Срок службы солнечных батарей

Однако это не значит, что по окончании данного срока модули перестанут функционировать. Это заблуждение, т. к. солнечные батареи могут служить намного дольше (до 60 и более лет, как первая из запущенных в эксплуатацию конструкций). Только в данном случае будет постепенно снижаться производительность. Но скорость развития этого процесса низкая. Так, за 10 лет батареи могут потерять не более 10% мощности.

При регулярной эксплуатации, максимальной нагрузке модули быстрее теряют свойства. Чтобы остановить этот процесс, а также увеличить срок службы устройства, рекомендуется придерживаться рекомендаций:

обеспечение защиты фотоэлементов: необходимо снизить вероятность механического повреждения, солнечные батареи нужно устанавливать на участках, где риск падения деревьев нулевой, а также уровень воздействия ветровой нагрузки умеренный (что позволит исключить срыв ветром);
установка на открытой местности ветрозаградительных конструкций;
выполнение обслуживания, своевременная очистка модуля от сора.

В продаже есть также готовые комплекты – устанавливаются преимущественно для энергообеспечения частного жилья. Они состоят из батарей, силовой электроники. Длительность эксплуатации каждого из элементов, узлов разная. Так, батареи могут прослужить 2-15 лет, силовая электроника – до 20 лет.

Разновидности фотоэлементов

Солнечные батареи классифицируются по нескольким признакам:

мощности;
конструкции и структуре;
материалу фотоэлектрического преобразователя.

Мощность солнечных элементов зависит от их площади и конструктивных особенностей. Промышленностью выпускается большое количество моделей: от миниатюрных (например, для портативной электроники) до крупногабаритных вариантов (для зданий, электростанций).

Конструктивно модули могут быть:

гибкими;
жесткими.

Использование тонкопленочных гибких моделей позволяет нивелировать некоторые неровности монтажной поверхности. В этом плане они универсальнее. Но гибкие панели дороже жестких аналогов.

По структуре панели бывают двухслойными и многослойными. КПД последних достигает 32 %, что на сегодняшний день делает их наиболее эффективным вариантом.

ФЭП по материалу фотоэлектрического слоя могут быть:

кремниевыми;
органическими;
теллурий-кадмиевыми;
арсенид-галлиевыми;
полимерными.

Это далеко не полный перечень. Постоянно появляются новые материалы.

Вступление

К сожалению, тестирование солнечных панелей даже профессиональным прибором, не является достаточным условием для производителя. Для полноценного юридического статуса и возможности вести диалог на равных с производителями солнечных панелей, нужно пройти сертификацию TÜV SÜD. Ни одной сертифицированной лаборатории в Украине нет. Я писал в головной офис TÜV SÜD, но наверно что то пошло не так.

Итого – выбросить >1К$ за красивую игрушку (без сертификации) смысла не было, алгоритм построения ВАХ расписан детально, отчего бы не построить свой ~~велосипед~~ прибор?

Но пока я читал про алгоритмы, то набрёл на IV Swinger 2, где ~~сделали уже мопед~~ создание которого расписано пошагово и очень чётко. При этом создатель инструкции очень толковый и общительный человек, за что ему отдельное спасибо.

Характеристики этой модификации покрывают все современные панели, в отличии от старых версий профессиональных измерителей. Снятие ВАХ солнечной панели занимает не более пары секунд. Единственным минусом является слабая масштабируемость по напряжению, и одним махом измерить параметры всего стринга солнечных панелей им нельзя, только отдельного экземпляра. Но даже сняв параметры всего стринга, всё равно нужно найти ту самую панель, которая так повлияла на общий результат, а ведь это именно то, что мы уже умеем!

Моно или поликристалл?

Как отличить монокристаллическую панель от поликристаллической? Визуально поли имеет синеватый оттенок, моно – однородного темного цвета.

Какие из них лучше?

Ошибка №16
Однозначно монокристаллические. Нет, поликристаллические.

На самом деле большой разницы между ними нет. Есть адепты как одной, так и другой технологии.

Давайте сначала рассмотрим время работы и степень деградации. У одинаковых по качеству моно и поликристаллов самые большие потери мощности наблюдаются в первый год работы.

У поли это 2%, у моно – 3%. В последующие года они деградируют на 0,67% и 0,73% соответственно.

Как видите цифры не такие огромные, чтобы говорить о какой-то существенной разнице.

Ошибка №17
У моно КПД больше, значит они лучше.

Условно 100 ваттная моно-панель с КПД 22% не будет отдавать больше, чем такая же поли-панель с КПД 18%

И та и другая при равных условиях выдадут в сеть одинаковые 100Вт. Отличие будет заключаться только в занимаемой площади.

Моно по габаритам на 3-5% меньше. Визуально это даже незаметно.

Эффективность или КПД вы можете посчитать самостоятельно. Просто разделите мощность на длину и ширину панели.

Кстати, таким нехитрым способом можно проверить производителя. Не наврал ли он в технических параметрах.

То же самое касается и якобы лучшей выработки эл.энергии в пасмурную погоду у поликристаллов.

Ошибка №18
Здесь все зависит не от типа кристалла, а от природы кремния.

Там, где он более качественный, там и выработка будет чуть больше. Поэтому у кого-то моно работают лучше, у кого-то поли.

Преобразование солнечной энергии

Чтобы понять, как работают солнечные батареи, нужно знать устройство и принцип работы. Непосредственное превращение солнечной энергии в электрический ток происходит внутри фотоэлементов, соединенных последовательно между собой. Основой каждого из них служат кристаллы кремния, широко распространенные в природе в виде различных соединений. Более всего известен обычный песок, который является оксидом кремния. По аналогии, кристаллический кремний представляет собой крупную песчинку, выращенную искусственным путем.

Готовые кристаллы получаются в форме кубиков, после чего они разрезаются на тонкие пластины, толщиной 200 микрон. На одну сторону такой пластинки наносится слой бора, а на другую – слой фосфора. На границе кремния и бора присутствует избыточное количество электронов, а со стороны фосфора их, наоборот, не хватает. Место стыковки с такими физическими свойствами называется р-п переходом.

Принцип действия солнечной батареи заключается в следующем. Когда солнечный свет попадает на фотоэлементы, его фотоны начинают бомбардировать поверхность. Излишки электронов выбиваются, после чего начинается их движение туда, где их не хватает, то есть, в сторону дырок. В этот момент и происходит возникновение электрического тока, представляющего собой упорядоченное движение электронов. Сбор электричества производится по металлическим дорожкам, подведенным к каждому фотоэлементу.

Отдельно взятый фотоэлемент обладает незначительной мощностью. Его напряжение находится в пределах 0,5 В. Для получения более высокого выходного напряжения в 18 вольт, элементы в количестве 36 единиц соединяются последовательно в общую батарею. Полученного напряжения вполне достаточно аккумулятору на 12 вольт. Данные параметры взяты по максимуму, на практике же заявленные показатели будут ниже. Все зависит от того, как устроена солнечная батарея.

Готовая батарея в сборе устанавливается на подложку, сверху накрывается стеклом, после чего все швы и стыки герметизируются. Сами батареи также могут соединяться между собой последовательно или параллельно. В результате, получаются небольшие солнечные электростанции, широко используемые на дачах и в частных домах. Единственным условием является чистая поверхность и наличие яркого солнечного света.

Однофазны и трехфазные инверторы

Для первых характерна невысокая стоимость. Выбор будет оправдан при мощности потребления не превышающей 10 кВт. Частота у них равна 50 Гц, а напряжение 220В.

Качественное оборудование обязательно укомплектовано трансформаторами, установленными на входе. Определить, включен ли в схему трансформатор, несложно. Поскольку между весом инвертора и техническими параметрами существует зависимость, т.е. если на килограмм веса мощности приходится по 100 Вт, значит, трансформатор установлен.

Для отдельных моделей разработчик предусматривает зарядку, которая отвечает за работу всей системы, даже при выходе из строя одного из инверторов.

Видео: Инвертор для солнечной батареи чистый синус

Виды кремниевых ФЭП

Есть несколько видов фотоэлементов на базе кремния:

монокристаллические;
поликристаллические;
аморфные.

Монокристаллические панели (края у них округлые) среди трех разновидностей кремниевых ФЭП наиболее эффективны: КПД достигает почти 25 %. Такие модели при одинаковой мощности стоят дороже своих поликристаллических и аморфных аналогов. Но для производства 1 кВт электроэнергии понадобится меньше фотоэлементов, чем при использовании кремниевых аналогов с другой структурой.

Аморфные ФЭП по структуре – это слой полупроводника (на базе кремния), который нанесен на гибкую основу. Такая особенность позволяет устанавливать их на неровные поверхности. КПД установок с аморфными фотоэлементами доходит только до 10 %. Но высокий уровень поглощающей способности в несолнечную погоду со слабым уровнем освещенности делает их более эффективными.

Виды инверторов и их конструктивные особенности

Существует три вида инверторов для солнечных батарей, отличающихся по принципу своего действия: сетевые, автономные и гибридные (многофункциональные).