Инверторы в возобновляемой энергетике
Инверторы являются очень важной частью перехода к возобновляемым источникам энергии. Они необходимы, потому что солнечные панели дают выходную мощность постоянного тока (DC), что в основном означает, что ток течет в одну сторону. Однако почти во всех наших домах и на предприятиях используется переменный ток (AC), где ток течет в обоих направлениях с заданной частотой. Инверторы располагаются между солнечной батареей и домом или бизнесом, преобразуя выход постоянного тока от солнечных панелей в полезный выход переменного тока. Инвертор может подавать электричество непосредственно в электросеть, в бытовую технику или в хранилища, такие как батареи глубокого цикла.
Разработка инверторной технологии стала ключевой частью стремительного развития возобновляемых источников энергии. Ранние инверторы были дорогими, неэффективными (отбрасывали энергию и нагревались) и вызывали проблемы. Даже сейчас проблемы с инверторами являются наиболее распространенной проблемой, с которой сталкиваются владельцы солнечных батарей. Современные инверторы эффективнее, дешевле, меньше, умнее и гораздо надежнее, чем их более ранние аналоги.
Мощность постоянного тока и мощность переменного тока
питание постоянного тока говорит само за себя. Ток идет только в одну сторону. В случае солнечных элементов ток будет меняться довольно медленно в течение дня по мере изменения интенсивности солнца, но ток всегда будет течь в одном направлении. Если мы построим график зависимости тока от времени, мы получим график постоянного тока, показанный ниже.
Мощность переменного тока отличается. Ток не только течет в обе стороны, но и его интенсивность быстро меняется. Когда ток отображается в зависимости от времени, кривая образует «волну». Существуют всевозможные типы волн для переменного тока. Однако тип волны, которую мы используем в наших домах и на предприятиях, называется «синусоидой». Кривая переменного тока на рисунке ниже представляет собой синусоиду.
Работа инвертора состоит в том, чтобы получать мощность постоянного тока и преобразовывать ее в кривую мощности переменного тока.
Преобразование постоянного тока в переменный
Ранние инверторы использовали механические переключатели для создания простых версий переменного тока, и некоторые (дешевые) инверторы с механическими переключателями все еще доступны сегодня. Самая простая версия просто включается и выключается, создавая «обрезанный» сигнал, показанный ниже. Для более высокой частоты переключатель включается и выключается быстрее.
Следующим шагом является то, что вместо отключения тока используется более сложный переключатель, который фактически меняет направление тока. Это преобразует постоянный ток в переменный ток «прямоугольной формы». Опять же, частоту можно отрегулировать, изменив скорость работы переключателя.
Некоторые типы оборудования без чувствительной электроники могут работать на этом типе питания. Однако в домах и на предприятиях напряжение переменного тока должно быть больше похоже на синусоиду.
Синусоиды
Для преобразования постоянного тока в синусоидальный переменный ток требуется более сложная электроника. На рисунке ниже показана принципиальная схема синусоидального инвертора «сделай сам».
Источник
Синусоидальные инверторы работают в три этапа: каскад генератора, каскад усилителя или усилителя и, наконец, каскад трансформатора.
Ступень генератора делает то, о чем говорится в названии: изменяет постоянный ток на колеблющийся переменный ток. Колебательный ток можно настроить на определенную частоту: для США частота составляет 60 Гц. Это означает, что в секунду происходит 60 полных волн. Постоянный ток преобразуется в этот тип переменного тока с помощью интегральных схем. Однако на этой стадии колебания, или высоты волн, очень малы, слишком малы, чтобы питать что-либо полезное. Высота волны должна быть увеличена, поэтому следующий этап.
Усилитель просто берет сигнал с генератора и усиливает его. Это создает формы сигналов с гораздо большей высотой волны, достаточно высокой для полезной мощности. Однако есть еще одна вещь, которую нужно решить, прежде чем электроэнергия поступит в дом или бизнес: напряжение.
Последняя ступень трансформатора обеспечивает правильное напряжение. Типичный жилой массив может иметь напряжение постоянного тока примерно до 600 В. Коммерческие массивы могут иметь еще более высокие напряжения, например 1000 В или даже выше. В Соединенных Штатах электроэнергия переменного тока подается при напряжении 120 В. Стабильность этого напряжения очень важна для стабильности сети и оборудования, работающего вне сети. Следовательно, контроль напряжения является очень важной частью инвертора.
Чистая синусоида и модифицированные инверторы синусоиды
Синусоиды бывают двух основных типов: чисто синусоидальные инверторы и модифицированные синусоидальные инверторы. Разница в основном в электронике. В модифицированных синусоидальных инверторах используется более простая и дешевая электроника для создания волны, которая не совсем гладкая синусоида. Инверторы с чистой синусоидой используют более дорогую электронику для генерации волны, очень близкой к чистой синусоиде.
На рисунке ниже сравниваются выходные сигналы модифицированного синусоидального инвертора и инвертора с чистой синусоидой.
Современные инверторы для солнечных батарей
Современные инверторы имеют множество функций и играют ключевую роль в получении максимальной мощности и энергии от вашей солнечной батареи, а также минимизации перебоев в работе сети.
Начнем с того, что выходной ток и напряжение солнечной батареи изменяются по мере изменения интенсивности солнечного света в течение дня. Инверторы достаточно умны, чтобы принимать разные токи и напряжения, но при этом выдавать одинаковый выходной ток.
Инверторы еще умнее. Солнечные панели любят работать при определенных значениях напряжения и тока. Оптимальное значение напряжения и тока называется «точкой максимальной мощности». Современные инверторы могут изменять импеданс цепи (для электронных баффов импеданс представляет собой комбинацию сопротивления и индуктивности), чтобы убедиться, что солнечная батарея работает близко к точке максимальной мощности. Это называется «отслеживание точки максимальной мощности» или сокращенно MPPT.
Но подождите, это еще не все! Различные панели массива могут располагаться, например, на разных участках крыши и, следовательно, получать разное количество солнечного света. Величина, на которую импеданс должен измениться, чтобы панели работали вблизи точки максимальной мощности, будет разной для панелей в разных областях. Это означает, что невозможно оптимизировать различные области, если доступен только один контроллер. Современные инверторы имеют несколько входов или несколько MPPT. Таким образом, панели на одном участке кровли можно объединять в «цепочку» и использовать один МППТ на инверторе. Панели в другой области крыши можно объединить в другую «цепочку» и использовать другой MPPT на инверторе. Таким образом, панели в разных зонах могут управляться отдельно и могут работать близко к точкам максимальной мощности.
Эту концепцию полностью используют инверторы, называемые «микроинверторами». Микроинверторы расположены на каждой панели и позволяют каждой панели работать на максимальной мощности. Микроинверторы особенно полезны, когда есть проблема с тенью.
Качество электроэнергии
Качество электроэнергии является очень большой проблемой для солнечной энергетики. В таких странах, как Австралия, где потребление солнечной энергии в домах было огромным, в сеть поступает так много солнечной энергии, что мощность сети может стать нестабильной, что создает огромные проблемы для сетевых регуляторов.
Инверторы могут сыграть здесь решающую роль. Чистые синусоидальные инверторы генерируют отличную синусоидальную волну, а хорошие инверторы могут очень хорошо регулировать частоту. Однако есть еще один элемент, который необходимо контролировать, а именно коэффициент мощности.
Коэффициент мощности определяет, насколько хорошо переменное напряжение и ток совпадают во времени. Рисунок ниже иллюстрирует это и показывает соответствующий коэффициент мощности, отстающий коэффициент мощности и опережающий коэффициент мощности.
Для наилучшей стабильности сети коэффициент мощности для энергии, поступающей от солнечной батареи, должен быть как можно ближе к коэффициенту мощности от сети. Современные инверторы с чистой синусоидой могут применять коррекцию коэффициента мощности к выходной мощности. Это очень важный шаг вперед для инверторной технологии и большая помощь в переходе на экологически чистую энергию.
Вывод
Современные инверторы с чистой синусоидой представляют собой сложные электронные устройства, которые играют решающую роль в любой солнечной энергетической системе. Их выходная мощность намного выше, чем у модифицированных синусоидальных инверторов.
Основной функцией инвертора является преобразование выходной мощности постоянного тока солнечной батареи в выходную мощность переменного тока, которую мы можем использовать в наших домах и на предприятиях. Однако они делают гораздо больше, в том числе оптимизируют выходную мощность солнечной батареи и минимизируют сбои в работе сети.
Инвертор - это точно не то место, где можно экономить на качестве!