Особенности подключения инвертора
От правильного подключения солнечного инвертора зависит эффективность работы всей гелиосистемы. Главное, соблюсти правило: кабель, передающий постоянный ток, должен иметь минимально допустимую длину и максимальное сечение.
Если потребитель находится далеко от солнечных элементов, следует удлинять путем наращивания электрокабель, транспортирующий переменный ток 220 В. Протяженность провода между инвертором и солнечной панелью должна варьировать в пределах 3 м и никак не больше.
Лучший вариант, когда инвертор расположен возле солнечной батареи. Особо жесткие условия приходится выполнять при подключении инверторов, превосходящих по мощности 0,5 кВт.
Подсоединение проводов должно быть прочным, т.к. недостаточно плотное соединение вызывает искрение, что может стать источником пожара. При монтаже автономного инвертора для обеспечения бесперебойного электроснабжения объекта, цепь постоянного тока должна быть укомплектована автоматическими выключателями.
Лучшим решением при подключении инвертора является применение обвязки гибридного типа как по постоянному, так и переменному току. В основе принципа лежит особый порядок включения преобразователя. Его включает контроллер для солнечных батарей после того, как зарядятся аккумуляторы.
Такое решение увеличивает качество работы оборудования. В регионах, где электроэнергию часто отключают, или в домах, расположенных в районах, где преобладает пасмурная погода, этот вариант работает очень эффективно.
Схема устройства солнечной электростанции
Рассмотрим, как устроена и работает гелиосистема для загородного дома. Главное ее назначение – преобразовать энергию солнца в электричество 220 В, которое является основным источником питания для домашних электроприборов.
Основные части, из которых состоит СЭС:
- Батареи (панели), преобразующие солнечное излучение в ток постоянного напряжения.
- Контроллер, регулирующий заряд АКБ.
- Блок аккумуляторных батарей.
- Инвертор, преобразующий напряжение АКБ в 220 В.
Конструкция батареи продумана таким образом, что позволяет оборудованию функционировать в различных погодных условиях, при температуре от -35ºС до +80ºС.
Выходит, что правильно установленные солнечные батареи будут работать с одинаковой производительностью и зимой, и летом, но при одном условии – в ясную погоду, когда солнце отдает максимальное количество тепла. В пасмурную эффективность работы резко снижается.
Эффективность СЭС в средних широтах велика, но не настолько, чтобы полностью обеспечивать электричеством большие дома. Чаще гелиосистема рассматривается как дополнительный или резервный источник электроэнергии
Вес одной батареи на 300 Вт равен 20 кг. Чаще всего панели монтируют на крышу, фасад или специальные стойки, установленные рядом с домом. Необходимые условия: разворот плоскости в сторону солнца и оптимальный наклон (в среднем 45° к поверхности земли), обеспечивающий перпендикулярное падение солнечных лучей.
При возможности устанавливают трекер, отслеживающий движение солнца и регулирующий положение панелей.
Верхняя плоскость батарей защищена закаленным противоударным стеклом, которое легко выдерживает удары града или тяжелые снежные наносы. Однако необходимо следить за целостностью покрытия, иначе поврежденные кремниевые пластины (фотоэлементы) перестанут работать
Контроллер выполняет насколько функций. Кроме основной – автоматической регулировки заряда АКБ, контроллер регулирует подачу энергии от солнечных батарей, предохраняя тем самым аккумулятор от полной разрядки.
При полном заряде контроллер автоматически отключает АКБ от системы. Современные устройства оборудованы панелью управления с дисплеем, показывающим напряжение батарей.
Для самодельных гелиосистем лучшим выбором являются гелевые аккумуляторы, отличающиеся сроком бесперебойного функционирования 10-12 лет. После 10-летней работы их емкость уменьшается примерно на 15-25 %. Это необслуживаемые и абсолютно безопасные устройства, не выделяющие вредных веществ.
Зимой или в пасмурную погоду панели также продолжают работать (если их регулярно очищать от снега), но выработка энергии снижается в 5-10 раз
Задача инвертеров – преобразовывать постоянное напряжение от АКБ в переменное напряжение 220 В. Они отличаются такими техническими характеристиками, как мощность и качество получаемого напряжения. Синусовое оборудование способно обслуживать наиболее «капризные» к качеству тока приборы – компрессоры, бытовую электронику.
Обзор бытовой СЭС:
Стоит знать, что бытовые электростанции способны обслуживать постоянно работающий холодильник, периодически запускаемый погружной насос, телевизор, систему освещения. Чтобы обеспечить энергией функционирование котла или даже микроволновки, потребуется более мощное и очень дорогое оборудование.
Простейшая схема солнечной электростанции, включающая главные составные элементы. Каждый из них выполняет свою функцию, без которой работа СЭС невозможна
Существуют и другие, более сложные схемы сборки солнечных электростанций, однако данное решение является универсальным и наиболее востребованным в быту.
Как выбрать лучший?
Как уже было указано выше, на рынке подобных устройств, представлено большое количество моделей различных производителей, которые схожи по своим техническим характеристикам. Для того, чтобы выбрать инвертор, и при этом не ошибиться, необходимо следовать критериям выбора, которыми являются:
- Номинальная мощность.
- Максимальная (пиковая) мощность.
- Форма выходного сигнала по току.
- КПД.
- Эксплуатационные показатели (температура, влажность, высота установки над уровнем моря).
- Напряжение на «входе» и «выходе» устройства.
- Наличие средств защиты от токов КЗ и перегрузки.
- Наличие «спящего» режима, вентилятора охлаждения и дополнительных опций.
- Габаритные размеры и вес.
- Бренд и надежность производителя.
- Стоимость.
Опираясь на выше приведенные критерии и зная параметры сети, каждый пользователь способен самостоятельно выбрать лучшую модель, из представленных, в настоящее время, в конкретном регионе или на интернет ресурсах.
Основные типы инверторов для солнечных батарей
В зависимости от типа использования инверторы можно разделить на три основных типа:
- Автономные (off grid) – инверторы, не подключенные к внешней электрической сети, предназначены для автономных фотоэлектрических систем;
- Сетевые (on grid) – инверторы, работающие синхронно с централизованной сетью электроснабжения. Кроме своих прямых функций такие приборы обеспечивают регулировку основных эксплуатационных параметров сети: частота напряжения, амплитуда и т.д. В случае сбоя питания инвертор автоматически выключится. Данный тип инверторов подходит для солнечных систем без аккумуляторных батарей. Вся выработанная энергия генерируется в общую сеть по «зеленому тарифу».
- Гибридный (hybrid) – еще называемый «аккумуляторно-сетевой» преобразователь, совмещающий свойства автономных и сетевых устройств. Такой инвертор имеет большое количество настроек для оптимизации работы солнечной системы от общей электрической сети и при наличии аккумуляторных батарей.
В зависимости от выходного сигнала инверторы бывают:
- Инверторы с чистым синусоидальным выходным сигналом;
- Инверторы, генерирующие квазисинусоидальный (модифицированный синусоидальный) выходной сигнал или меандр;
Форма сигнала инвертора — синусоидальная (слева), модифицированный синус (справа)
От инвертора с чистой синусоидальной (чистый синус) формой можно питать любую нагрузку переменного тока. Несинусоидальные инверторы с прямоугольной (меандр) формой напряжения не подходят для многих видов нагрузки, например, асинхронных двигателей или трансформаторов. К такой нагрузке относятся так же холодильники, различные насосы, стиральные машины и т.п.
Инверторы с синусоидальным выходным напряжением дороже, чем квазисинусоидальные, но высокая цена вполне компенсируется качеством получаемой энергии и меньшими потерями.
Подключение
В зависимости от комплектации и оборудования можно выбрать следующие схемы подключения.
С контроллером DC-заряда
Суть схемы в подзарядке АКБ через МРРТ-контроллер. Здесь применяется преобразователь, который поддерживает передачу энергии в сеть или нагрузку, если Uакб больше установленного параметра.
Преимущество решения состоит в эффективности применения альтернативной энергии при частых включениях / выключениях.
Второй момент — возможность подключения солнечной батареи после разряда АКБ.
С преобразователем сетевого или гибридного типа
Здесь на выводах АКБ инвертора смонтирован преобразователь сетевого типа. При этом оба конвертора подключены к разным солнечным источникам питания.
Преобразователь гибридного типа поводится к фотоэлектрическому элементу для заряда АКБ, а сетевой объединяется с главным модулем солнечной батареи.
Особенности:
- необходимость регулировки сетевого инвертора;
- бесперебойность питания вне зависимости от напряжения сети;
- заряд АКБ с выводов;
- работа аккумуляторов по буферному принципу, что продлевает срок их действия.
Общая мощность сетевого устройства должна быть меньше мощности гибридного девайса. В таком случае проще утилизировать электричество от солнечных панелей при разрядке АКБ и выключении питания.
Общие моменты:
- Длина проводов для постоянного тока не должна быть больше трех метров. Если это необходимо, лучше увеличить соединение АС.
- Оптимальная установка инвертора — на уровне глаз. Так лучше видны данные с экрана.
- Устройство нельзя устанавливать в коробке, изготовленной из горючих изделий.
Виды инверторов для солнечных панелей
Без инвертора, вырабатываемая гелиосистемой энергия, для бытовых нужд будет совершенно бесполезной. Существует 3 вида инверторов по типу использования:
- автономные;
- сетевые;
- многофункциональные.
Инверторы первого вида имеют обозначение «off grid». Они подсоединены к солнечному модулю, являются частью обособленной фотоэлектрической системы и никак не контактируют с внешней электрической сетью. Их мощность варьирует в пределах 100 – 8000 Вт.
Синхронные или сетевые инверторы функционируют синхронно с централизованной системой электроснабжения. Преобразователи с обозначением «on grid» не только выполняют роль преобразователя, но и корректируют такие параметры сети как амплитудные перепады, показатели частоты и другие.
Если во внешней сети наблюдаются неполадки, инвертор автоматически отключается. Такие инверторы накапливают электроэнергию в аккумуляторных батареях.
Если суммарная мощность используемых в доме приборов меньше потенциальных возможностей солнечной электростанции, то излишки выработанной электроэнергии попадают во внешние электрические сети. Если же мощности недостаточно для нормальной работы бытовых приборов, то осуществляется подпитка извне.
Параметры инвертора со стороны переменного напряжения определяют исходя из суммарной потребляемой мощности всех приборов, подключенных к электрической сети потребителя. Со стороны постоянного тока инвертор подбирают исходя из номинальной мощности солнечных панелей
При отсутствии напряжения питание подается от заряженного аккумулятора. В случае когда в систему не включены аккумуляторные батареи, энергия, произведенная солнечной электростанцией, уходит в общую сеть.
Сетевые фотоэлектрические инверторы с большой эффективностью используют энергию, получаемую от солнечных батарей. Они являются гарантией стабильности электроснабжения и отличаются высоким КПД, превышающим 90%
Гибридный или многофункциональный инвертор — оборудование надежное. Он сочетает свойства первых двух преобразователей, обладает большим числом настроек. Это лучший вариант для устройства домашней солнечной станции, но и самый дорогой.
Все существующие солнечные инверторы делят на виды и по напряжению на выходе. В зависимости от этого параметра они бывают синусоидальными и меандровыми. Так как у первого величина выходного напряжения почти такая же, как и у питающей электрической сети, это хороший вариант, когда в доме присутствует высокочувствительная техника.
Постоянное значение напряжения является гарантией безопасности для домашнего электротехнического оборудования. Графически форма сигнала на выходе у такого инвертора синосуидального типа изображается в виде чистой синусоиды.
При работе оборудования лучшая форма меандра — идеальный синус
Особенно это важно для телекоммуникационной аппаратуры, медтехники, высокоточных приборов измерения, поэтому, даже не смотря на высоту цены сложных инверторов, других вариантов в этом случае нет. Сведения о форме выходного сигнала производители указывают в его характеристиках. Меандровые или несинусоидальные преобразователи в отличие от синусоидальных имеют геометрию сигнала на выходе в виде импульсов прямоугольной формы так называемый модифицированный синус
Инверторы, относящиеся к этому типу, нельзя использовать для отдельных видов нагрузки, но для приборов, использующих активную составляющую мощности, они вполне подходят
Меандровые или несинусоидальные преобразователи в отличие от синусоидальных имеют геометрию сигнала на выходе в виде импульсов прямоугольной формы так называемый модифицированный синус. Инверторы, относящиеся к этому типу, нельзя использовать для отдельных видов нагрузки, но для приборов, использующих активную составляющую мощности, они вполне подходят.
Солнечные батареи какие лучше по характеристикам
Коэффициент полезного действия
КПД панели является одним из главных критериев эффективности преобразования солнечной энергии в электричество. Чем выше КПД, тем лучше работоспособность модуля. Максимальный КПД (44,7%) данное разработали немецкие ученые. Он являет собой своеобразный ориентир для других производителей. Впрочем, можно использовать в любительских целях модуль, КПД которого находится в диапазоне 10-20%.
Тип панели
На сегодняшний день солнечные панели подразделяются на две группы:
- Кремниевые батареи — одни из самых популярных в мире. Их доля применения достигает 90%. Они имеют три подвида, которые отличаются друг от друга отличаются КПД и ценой. По ценовой доступности наиболее доступными считаются поликристаллические панели. Их основным элементом является кристалл, полученный охлаждением расплавленного кремния. Материал не самый чистый, его КПД достигает 15%. Монокристаллы представляют собой исключительно чистый кремниевый материал, отличающийся высоким КПД (около 20%). Такие панели имеют немалую цену. Аморфные модули создаются из гидрида кремния (SiH4), наибольшее их преимущество – высокая производительность в условиях ограниченной освещенности (дождь, запыленный воздух, сумерки, туман).
- Пленочные модули входят в применение постепенно. Они завоевывают свои позиции за счет гибкости и удобства применения. Эти модули можно даже резать ножом, огибать неровные основания, они тоньше и весят меньше. из недостатков только: меньшая мощность, высокая цена изделия, подверженность атмосферному воздействию.
Назначение
Решая: солнечные батареи какие лучше из широкого ряда моделей, при выборе следует отталкиваться от назначения панели.
- Для создания мини-электростанций предпочтение отдается мощным стационарным модулям с хорошей защитой от снега, дождя, мороза.
- Чтобы организовать освещение в турпоходе или для подпитки аккумуляторов гаджетов (смартфонов и планшетов) требуются мобильные панели, которые будут удобны в транспортировке. Мощность их небольшая, зато они доступны в цене.
Качество изготовления
Чтобы понять солнечные батареи какие лучше, следует иметь ввиду, что каждой панели присваивается класс, который демонстрирует качество сборки.
Солнечная батарея в походе незаменимая вещь для тех, кто привык пользоваться гаджетами
Итак, мобильные устройства по преобразованию энергии Солнца в электрический ток могут применяться для:
- зарядки мобильных телефонов и других устройств;
- питания радиоприемников во время походов, рыбалки;
- питания систем навигации во время экспедиций;
- освещения в темное время суток во время походов.
Гибридный инвертор: оценка возможностей
Использование возобновляемой энергии солнца в комбинации с централизованным электроснабжением дает ряд преимуществ. Нормальное функционирование гелиосистемы невозможно без одного из ключевых элементов – инвертора.
Инвертор гелиосистемы – устройство для конвертации постоянного тока (DC), поступающего от фотоэлектрических панелей, в переменную электроэнергию. Именно на токе напряжением 220 В работает бытовая техника. Без инвертора выработка энергии бессмысленна.
Провести оценку возможностей гибридной модели лучше в сравнении с особенностями работы его ближайших конкурентов – автономных и сетевых «конвекторов».
Сетевой инвертор. Устройство работает на нагрузки общей электросети. Выход от преобразователя подсоединен к потребителям электроэнергии, сети АС. Схема отличается простотой, но имеет несколько ограничений:
- работоспособность при доступности переменного тока в сети;
- напряжение электросети должно быть относительно стабильным и соответствовать рабочему диапазону преобразователя.
Разновидность востребована в частных домах с действующим «зеленым» тарифом на электрификацию.
Днем при минимальном энергопотреблении, выработанный ток поступает в сеть по «зеленым» расценкам, с вечера до утра здание «подпитывается» от централизованного снабжения электричеством
Автономный инвертор. Прибор запитывается от аккумулятора, который получает заряд от солнечных панелей через МРРТ-контроллер. В системе используются батареи разных типов, в том числе высокотехнологичные литиевые аккумуляторы.
При максимальном «наполнении» аккумулирующего устройства излишек электроэнергии передается на вход инвертора, выход которого подсоединен с конечными потребителями АС. В случае недостатка солнечной активности энергия берется из аккумуляторных батарей и проходит «конвертацию» через инвертор напряжения.
Особенности работы автономной установки:
- возможность независимой работы при отсутствии сетевого переменного тока;
- некоторые модели поддерживают режим функционирования по «зеленому» тарифу;
- КПД установок – 90-93%.
Для обеспечения абсолютной автономности объекта требуется точный расчет мощности гелиопанелей и достаточная энергоемкость аккумулятора.
Вариант независимого использования инвертора без включения в систему централизованного сетевого подключения. Автономный преобразователь востребован в местности с полным отсутствием или низким качеством подачи электричества
Гибридный инвертор. Модель отличается от выше описанных устройств особой «архитектурой» изготовления. Внутри предусмотрена особая электросхема, позволяющая в режиме преобразователя параллельно функционировать с источником тока (сетью, генератором).
Одновременно идет питание нагрузки от центральной сети и солнечных батарей, при этом функция приоритета отведена поставщику постоянного тока.
Гибридный преобразователь позволяет максимально эффективно потреблять энергию солнца, не переключаясь с сети электроснабжения от центральной станции или генератора
Конкурентные преимущества заложены в многофункциональности инверторов гибридного типа:
- Сеть – своего рода вместительный аккумулятор с КПД в 100%. Все излишки, выработанные фотоэлектрическими пластинами можно перенаправить в центральную сеть по «зеленому» тарифу.
- Обеспечение бесперебойного питания. При отключении основного электропитания система перестраивается в автономный режим, защищая всех потребителей от «скачков» напряжения.
- Повышение лимита мощности сети при пиковых нагрузках за счет добавления энергии от аккумуляторно-инверторного комплекса.
При спаде потребления гелиокомплекс переход в режим зарядки и через время вновь готов к использованию. Функция удвоенной мощности может обозначаться: Smart Boots, Power Shaving, Grid support.
Добавление мощности происходит по следующим принципам:
- если используемая мощность ниже предельного сетевого потребления, то кроме питания нагрузки осуществляется заряд аккумулирующей батареи;
- в отсутствии напряжения в сети расходуется электроэнергия, полученная от аккумулятора и преобразованная инвертором;
- если нагрузка превышает граничное значение мощности сети, то недостаток восполняется аккумулированной электроэнергией от солнечной батареи.
Перечисленные режимы работы способны поддерживать гибридные модели с зарядным устройством.
Некоторые многофункциональные инверторы рассчитаны на одновременное подключение нескольких линий переменного тока для автоматического ввода резерва. Высокотехничные модели самостоятельно регулируют заряд аккумулятора
Виды по способу переключения тока
Отдельно выделенный на схеме рисунка 3 формирователь выходного напряжения 220 или 380 В, который обязательно присутствует в составе любого инвертора, реализуется только по импульсной схеме.
Выгодность такого решения определяется тем, что при нахождении ключевого полупроводникового элемента в полностью открытом и полностью закрытом состоянии за счет минимального напряжения или, соответственно, минимального тока достигается значительное снижение мощности бесполезных потерь энергии.
Все это позволяет нарастить общий КПД устройства до значений свыше 90%, рисунок 4.
Фактически основные потери происходят в момент перехода их одного состояния в другое, что определяет наличие дополнительных высоких требований к ключевым элементам устройства и их быстродействия.
Особенность импульсных схем состоит в том, что в отличие от аналоговых, выходное напряжение представляет собой не чистую, а т.н. аппроксимированную синусоиду.
Качество формирования этой синусоиды и степень ее близости к нормальной во многом определяется быстродействием и сопротивлением в открытом и закрытом состояниях ключевых полупроводниковых приборов.
В качестве таковых могут выступать:
- мощные транзисторы, в т.ч. IGBT-типа;
- тиристоры различной структуры.
Ключевые компоненты, построенные на мощных транзисторах, находят применение преимущественно в маломощных инверторах.
При переходе к средним и, тем более, высоким мощностям начинает сказываться такое недостаток транзистора, как несколько повышенная по сравнению с тиристорами величина падения напряжения в открытом состоянии, что сопровождается быстрым падением КПД.
В инверторах средней и высокой мощности полупроводниковые ключи реализуют на одно и двухоперационных тиристорах, которые за счет внутренней положительной обратной связи позволяют заметно уменьшить длительность переходного процесса от открытого до запертого состояния и наоборот.
По своим параметрам эти приборы могут считаться достаточно близкими аналогами, но двухоперационный вариант тиристора за счет передачи части управляющих функций непосредственно на полупроводниковую структуру позволяет получить более простые схемные решения с меньшим количеством компонентов и, соответственно, отличается большей надежностью.
Принцип работы генератора двухтактного типаВторой ключевой (после коммутатора) компонент инвертора – генератор переменного напряжения.
В схемотехнике автономных инверторов наибольшее распространение получило построение такого генератора по двухтактной (балансной) схеме.
Вне зависимости от разновидности используемого в ней ключевого элемента (транзистор тиристоры) для получения переменного выходного напряжения используют балансную схему, основные компоненты которой приведены на рисунке 5.
Схема функционирует следующим образом. Постоянное напряжение, создаваемое источником «И» (его функции в зависимости от режима работы могут выполнять солнечная батарея, выпрямитель бензогенератора или сетевого ввода, аккумулятор) прикладывается к ключевым элементам «К», которые включены параллельно, и средней точке первичной обмотки выходного трансформатора.
За перевод ключевых элементов «К» из одного состояние в другое отвечает схема управления «СУ», которая собрана таким образом, чтобы ключевые элементы «К» работали только в противофазе и создавали отмеченные на схеме токи I1 и I2, которые имеют противоположное направление.
Верхний элемент «К» отвечает за формирование положительной полуволны напряжения, а нижний – отрицательной.
Выходной трансформатор обеспечивает симметричное относительно нуля силовое переменное напряжение, а также позволяет получить требуемую по правилам электробезопасности гальваническую развязку отдельных блоков силовой сети.
Схема управления может реализовывать различные стратегии, в т.ч. использовать хорошо отработанную и удобную со схемотехнической точки зрения ШИМ-модуляцию.
Подключение инвертора к солнечной батарее
Инвертор является устройством, работающим в комплексе с другими элементами солнечной электростанции, которыми являются:
- Солнечная панель – источник электрической энергии;
- Аккумуляторная батарея – накопитель выработанной энергии;
- Контроллер заряда – отвечает за состояние аккумуляторных батарей, контролирует режим их работы — «заряд-разряд»;
- Провода и кабели – обеспечивают соединение всех устройств в единую электрическую цепь;
- Несущие конструкции – обеспечивают надежное крепление монтируемого оборудования, некоторые устройства, позволяют регулировать положение солнечных панелей в пространстве, в соответствии с расположением солнца.
Подключение инвертора в схему работы электрической станции, зависит от типа устройства, т.е. способности работать по отношению к внешней электрической сети.
Подключение, в зависимости от типа инвертора, выполняется по следующей схеме, для:
- Автономных («off grid») моделей.
Сетевых («on grid») моделей.
Модели данного типа устанавливаются между нагрузкой и аккумулятором, зарядка которого также осуществляется через контакты инвертора. У некоторых моделей, как показано на рисунке, может быть предусмотрен отдельный вход для подключения к электрической сети переменного тока, для обеспечения зарядки аккумуляторов, в случае невозможности их заряда от солнечных батарей.
Инверторы данного типа, включаются в электрическую цепь между солнечной батарей и элементами нагрузки и внешней электрической сетью. У данного типа устройств не предусмотрено подключение аккумуляторных батарей. В случаях, когда количество вырабатываемой электрической энергии превышает требуемые значения, излишки перераспределяются во внешнюю сеть.
Гибридных («hybrid») моделей.
Гибридный тип подобных устройств, предполагает установку инвертора между аккумуляторами, внешней сетью и нагрузкой одновременно.Использование инвертора, в схемах солнечных электростанций, позволяет осуществлять их работу в автоматическом режиме, что значительно упрощает их использование и расширяет сферу применения.
