Важнейшим преимуществом солнечной генерации, наряду с экологичностью, является возможность создания небольших электростанций, находящихся в личном пользовании. Использование солнечных панелей позволяет экономить средства, а, в ряде случаев (благодаря введению в действие документа N 471-ФЗ «О внесении изменений в Федеральный закон «Об электроэнергетике» в части развития микрогенерации») и продавать излишки вырабатываемой электроэнергии. Не будем забывать и о возможности снижения за счет личных электростанций нагрузки на сеть днем в жаркие летние дни, когда увеличивается потребление энергии за счет работающих кондиционеров.
До недавнего времени солнечные электростанции для домашнего использования представляли собой уменьшенные аналоги объектов энергетики, устанавливаемых в чистом поле и обслуживаемых специалистами. Это снижает затраты на разработку, но не позволяет создавать оптимальные решения. Настало время строить домашние солнечные электростанции по схемам, учитывающим специфику таких систем.
Построение электростанции на основе обычных инверторов
Солнечные панели вырабатывают постоянный ток. Номинальное значение напряжения на выходе панели составляет от 12 до 48 В, в зависимости от модели. В то же время, большинство электроприборов питается от переменного тока. Таким образом, обязательным элементом солнечной электростанции является инвертор — устройство для преобразование постоянного тока в переменный. Одновременно он осуществляет преобразование напряжения до нужного значения.
Подход, который домашние электростанции позаимствовали у «больших» - последовательное соединение панелей в так называемый стринг. Номинальное напряжение между концами стринга может достигать 600 В постоянного тока. Стринг подключается ко входу инвертора. В домашней электростанции стринг обычно один (600 В — это 50 соединенных последовательно солнечных панелей напряжением 12 В), но при генерации в более крупных масштабах задействованы несколько стрингов, каждый из которых подключается к отдельному входу общего инвертора.
Выбор напряжения между концами стринга изначально был продиктован задачей снижения стоимости оборудования. Относительно высокое напряжение позволяет использовать инверторы с меньшим количеством входов. В бытовом варианте это, как правило, один инвертор с одним входом. С другой стороны, полупроводниковые приборы, способные работать с напряжением до 600 В постоянного тока, стоят недорого, а вот уже для более высоких напряжений их стоимость многократно возрастает.
Недостатки последовательного соединения
При выходе из строя одной из панелей может полностью прекратиться подача электроэнергии от всего стринга на инвертор. На «большой» солнечной электростанции обслуживающий персонал оперативно обнаруживает неисправную панель и заменяет ее. Бытовому же пользователю лезть на крышу, где стоит оборудование под напряжением до 600 В, небезопасно. Поэтому ему придется ждать приезда сервисной бригады.
«Большие» солнечные электростанции размещаются в местах, где нет затенения солнечных панелей. Электростанции, находящиеся в личном пользовании обычно размещают на крыше, либо на свободном месте участка перед домом. В некоторые часы возможно затенение отдельных панелей деревьями, другими строениями и т. п. Когда солнечная панель подвергается затенению, у нее одновременно снижаются как напряжение на выходе, так сила протекаемого через нее тока. В итоге, если какие-то панели были затенены, это оказывает влияние и на другие панели, входящие в стринг, они начинают работать в неоптимальном режиме с низким КПД.
При возникновении пожара в светлое время суток выработка электроэнергии панелями продолжается, объект находится под опасным для человека напряжением до 600 В. В странах, где широко применяются солнечные панели, установленные на крыше, уже было зафиксировано множество случаев поражения электрическим током пожарных при тушении домов, оборудованных такими системами. По итогам расследования подобных инцидентов в США ввели обязательное правило, что солнечные электростанции должны оборудоваться системами, снижающими при пожаре напряжение внутри массива панелей до значения не более 30 В. Это могут быть, например, контакторы, разрывающие при пожаре электрическое соединение между панелями.
Функция MPPT
Вообразим ситуацию, что выход солнечной панели накоротко замкнут (данный опыт можно производить только умозрительно, поскольку в реальности короткое замыкание на работающей солнечной панели может привести к ее перегреву). Тогда напряжение на выходе равно нулю, мощность, отдаваемая в нагрузку, тоже равна нулю, хотя через перемычку протекает ток короткого замыкания (Iкз). Другая ситуация — на выходе нет нагрузки, значение напряжения максимально. Но мощность, которую дает панель, снова равна нулю, потому что нулю равен ток. Между этими крайностями есть некоторое оптимальное сочетание тока и напряжения в нагрузке, при которой достигается максимальное значение выходной мощности для заданной освещенности. Это сочетание именуется точкой максимальной мощности, обозначается как MPP (аббревиатура от английских слов Maximum Power Point). Функция автоматического отслеживания MPP называется MPPT (Maximum Power Point Tracking). При работе функции MPPT напряжение на выходе инвертора остается стабильным. Автоматически настраиваются ток нагрузки солнечной панели и коэффициент передачи напряжения в инверторе. Применение системы MPPT позволяет получить от той же панели дополнительно до 30% электроэнергии.
MPP зависит от множества факторов, в том числе износа панели, температуры окружающей среды и освещенности. Реализация функции MPPT индивидуально для каждой панели при их последовательном соединении является очень сложным и дорогостоящим решением. Поэтому, если в солнечной электростанции использовано более одной панели и применено их последовательное соединение, MPPT обычно реализуется на уровне стринга. Если часть панелей в стринге затенена, при определении MPP возникает значительная погрешность.
Применение микроинверторов
Инвертор, предназначенный для работы только с одной солнечной панелью, называется микроинвертором. Максимальная мощность, вырабатываемая одной панелью, не превышает 670 Вт. Обычно для солнечных панелей, используемых в быту, данный параметр составляет от 150 до 250 Вт. Небольшая мощность позволяет изготовить инвертор с малыми размерами и массой, без системы принудительного охлаждения. Такое устройство не создает акустического шума, не требует специальных условий для работы и может быть размещено непосредственно под солнечной панелью.
Микроинверторы дают на выходе напряжение 230 В переменного тока (зависит от принятого в стране стандарта на напряжение в сети), генерация точно синхронизирована с сетью. Они соединяются параллельно друг с другом и сетевым вводом. Для мониторинга и управления предусмотрен специальный блок, обменивающийся информацией с микроинверторами по кабелям или беспроводным способом. В случае обнаружении неисправности в отдельной панели она автоматически отключается, но при этом электростанция сохраняет работоспособность, просто ее мощность уменьшается.
Каждый микроинвертор поддерживает функцию MPPT, которая работает индивидуально для подключенной к нему панели. Соответственно, затенение части панелей не снижает КПД всей электростанции.
Преимущества и недостатки микроинверторов
В конструкции микроинвертора нет движущихся частей, а вместо электролитических конденсаторов, характерных для обычных инверторов, применяются более долговечные пленочные. Поэтому производители микроинверторов заявляют их срок службы до 25 лет против 10 — 15 лет для обычных инверторов. Все компоненты для производства микроинверторов выпускаются в России, когда инверторы, работающие с несколькими солнечными панелями, содержат в себе мощные импортные полупроводниковые приборы.
Появляется возможность в любое время наращивать мощность вашей электростанции, подключая параллельно имеющемуся оборудованию дополнительные панели и микроинверторы. Причем делать это может не только специалист по солнечной энергетике, но и самый обычный электрик. Если устанавливаемые солнечные панели немного отличаются по параметрам от уже имеющихся — не проблема, поскольку функция MPPT работает для каждой панели индивидуально.
При возникновении пожара по сигналу от датчиков возгорания, либо по сигналу от пульта управления работа микроинверторов прекращается, соединение с сетью разрывается. Т.е. защита от поражения пожарных электрическим током заложена в систему изначально, ничего добавлять не нужно. Самое высокое напряжение, которое может оставаться на токопроводящих элементах электростанции, не превышает напряжения одной солнечной панели.
К недостаткам можно отнести то обстоятельство, что стоимость массива микроинверторов выше, чем равного им по суммарной мощности обычного инвертора. Но, с другой стороны, обычный инвертор вы должны сразу купить с запасом по мощности, иначе при апгрейде электростанции вам придется его полностью заменить. А вот микроинверторы вы можете докупать по мере необходимости, что является немаловажным преимуществом в нынешнее время высоких ключевых ставок по всему миру.
Другая проблема — известные автору на момент написания статьи солнечные электростанции на основе микроинверторов относились только к сетевому типу. Для их работы необходимо подключение к электрической сети. Если вырабатываемого панелями электричества не хватает для питания нагрузки, энергия частично берется из сети. А если возникают излишки генерируемой энергии, то они поставляются в сеть (микрогенерация). Применение микроинверторов в солнечных электростанциях автономного (работают без подключения к сети) и гибридного (имеют аккумуляторы, но могут брать недостающую энергию из сети или поставлять туда излишки генерации) типов пока экономически нецелесообразно. Для работы с аккумуляторами придется устанавливать выпрямитель и еще один инвертор, а также обеспечить синхронизацию микроинверторов в условиях отсутствия подключения к электрической сети.
Тем не менее, именно электростанции сетевого типа являются наиболее доступным вариантом солнечной генерации для использования в быту. Для них особенно важны упрощение процессов установки и модернизации системы. Переход к использованию микроинверторов позволит сделать использование домашних солнечных электростанций более массовым явлением. И российские производители потенциально способны влиться в данный мировой тренд со своей продукцией.