Сонячна енергетика розвивається стрімкими темпами і недарма розглядається багатьма як енергетика майбутнього. Ми продовжуємо знайомити читачів з основними принципами роботи систем, які генерують електроенергію за рахунок енергії сонця.
Одним з основних елементів таких систем є акумулятор. Але не менш важливими є й інші пристрої - контролери потужності та інвертори. У цій статті ми обговоримо особливості контролерів потужності та інверторів, що використовуються в сонячній енергетиці.
Навіщо ж потрібні ці пристрої? Річ у тім, що струм, який виробляють фотоелементи, постійний, а більшість побутових електроприладів живляться від змінного струму. Завдання перетворення постійного в змінний струм вирішує інвертор. А контролер потужності дає змогу домогтися, щоб продуктивність фотоелементів була близька до максимальної.
Інвертор, поряд з акумулятором, є "обов'язковим" елементом сонячних енергетичних систем. Інвертори використовуються для перетворення постійного струму в змінний.
Основними компонентами інверторів є комутаційні або перемикальні елементи. Залежно від їхнього стану, постійний струм від джерела, наприклад, від сонячної панелі, йде до навантаження (споживача) то по одному, то по іншому контуру. Комутаційні елементи постійно перемикаються, чергуючи напрямок струму в кожній послідовності перемикання.
Як елемент перемикання зазвичай використовують напівпровідникові перемикачі (переважно транзистори). На практиці МОП-транзистори (MOSFET, англ.) широко використовуються в інверторах з вихідною потужністю до 5 кВт. У системах з більшою потужністю зазвичай використовують біполярні транзистори з ізольованим затвором (IGBT, англ.). IGBT-транзистори швидко витісняють популярні колись тиристори з високовольтних схем перетворення частоти і дають змогу створити імпульсні джерела вторинного електроживлення з якісно кращими характеристиками.
Найпростіший інвертор генерує змінний струм прямокутної форми. Нижче показано принцип роботи такого інвертора (створення сигналу змінного струму прямокутної форми, напрямок руху струму позначено червоним кольором).
Цей інвертор можна використовувати для подачі струму на прості пристрої, як-от спіральні обігрівачі, але він не підходить для більшості складніших побутових приладів, оскільки він спричиняє значні гармонійні спотворення. Більш складні типи інверторів працюють за схожим принципом, але видають споживачеві сигнал із формою, наближеною до класичної синусоїдальної.
На ринку сьогодні є безліч інверторів різних конструкцій, які здатні видавати змінний струм від простих прямокутних до майже ідеальних синусоїдальних хвиль. "Просунуті" інвертори в процесі перетворення використовують багато стадій перемикання для створення якомога більш гладкої хвилі, а фільтри, встановлені в них, дають змогу отримати синусоїду правильної форми.
Однофазні інвертори зазвичай встановлюються в системах з низьким енергоспоживанням, наприклад, у приватних будинках. Трифазні інвертори зазвичай використовують у сонячних установках великої потужності, які обслуговують кілька домоволодінь або інших споживачів енергії. Такі сонячні установки високої потужності зазвичай мають додатково трансформатори для підвищення напруги, що передається по мережі.
Однією з основних характеристик інвертора є його потужність. Потужність інвертора визначається потужністю фотоелементів, що генерують постійний струм за рахунок сонячної енергії. Іншими важливими характеристиками виступають напруга змінного струму на виході інвертора і його частота. Для повноцінної роботи сонячної системи вихідна напруга і частота повинні завжди залишатися стабільними, а сам пристрій зобов'язаний витримувати обмежене за часом перевантаження і високі пускові або пікові струми.
Інформація про те, яке перевантаження і протягом якого часу може витримати інвертор, заноситься в паспорт пристрою. Слід пам'ятати, що вхід і вихід інвертора мають бути гальванічно ізольовані.
Ще одним важливим параметром інвертора є його ефективність. Ефективність інвертора - це величина, що характеризує втрати енергії в інверторі, коли він перетворює постійний струм на змінний. Вона визначається як співвідношення корисної вихідної потужності до входу.
Як бачите, інвертор здатний на багато що, але при цьому не позбавлений недоліків. Мабуть, головним з них є те, що звичайний простий інвертор викачує накопичену акумулятором енергію, навіть якщо вона не потрібна споживачеві, просто в силу своїх конструктивних особливостей. Це знижує загальну ефективність сонячної системи. Тому у великих системах використовують інвертори "сплячого режиму", обладнані спеціальними датчиками, що запобігають "холостим" втратам. Такий датчик виявляє, чи потрібно подати живлення на навантаження і тільки після цього активує інвертор. В іншому разі інвертор спокійно "спить" і не краде енергію з акумулятора.
Необхідно зазначити, що технології виробництва сонячних систем прогресують небаченими темпами. І сьогодні на ринку доступні інвертори, що мають ефективність на рівні 95%, а найкращі зразки можуть забезпечити навіть 98% ефективність.
Як уже зазначалося, фотоелектричні сонячні системи генерують постійний електричний струм, а інвертор перетворює його на змінний, що застосовується в більшості сучасних побутових приладів і систем.
Сучасні інвертори, що застосовуються в сонячній енергетиці, на виході дають синусоїдальну хвилю змінного струму і розраховані на високу потужність навантаження аж до сотні кіловат. Але і це далеко не все - на відміну від простих електронних інверторів, сонячні інвертори надають споживачам і безліч додаткових. Наприклад, вони дають змогу виміряти споживання енергії, вести моніторинг цього споживання, здійснювати налаштування і забезпечувати захист сонячної енергетичної системи.
Існує кілька способів реалізації сонячних систем. Так, сонячні енергетичні системи можуть бути спроектовані як мережеві або позамережеві (локальні) системи. Позамережеві системи призначені для роботи незалежно від зовнішньої електричної мережі, тоді як мережеві системи можуть видавати вироблену електроенергію в загальну мережу. Мережеві системи, своєю чергою, можуть мати системи зберігання енергії у вигляді акумуляторних батарей, які можна використовувати для резервного живлення, або не мати сховищ енергії та живитися в нічний час від загальної мережі. Але інвертори є обов'язковим компонентом у всіх типах сонячних систем.
Енергія у позамережевій сонячній системі тече в різних напрямках. Наприклад, у денний час генерація електроенергії відбувається за рахунок сонячних панелей, і струм тече від них. Якщо ж сонячного світла недостатньо, навантаження може живитися як від панелей, так і від акумуляторних батарей, або тільки від акумуляторів - наприклад, у нічний час.
Контролер потужності являє собою регулювальний пристрій, який стежить за тим, щоб акумуляторні батареї в системі не перезаряджалися і не недозаряджалися. Нагадаємо, що робота "не в режимі" погано позначається на "здоров'ї" акумуляторів і знижує термін їхньої служби, а також погіршує характеристики.
Якщо встановити контролер потужності між сонячною панеллю та акумуляторними батареями, це значно збільшить термін експлуатації батарей, забезпечуючи оптимальних режим їхньої роботи.
Залежно від енергетичного стану сонячних панелей, контролер потужності спрямовуватиме вироблену ними електроенергію або користувачам, або для зарядки акумулятора, або в загальну мережу. Потрібно пам'ятати, що напруга акумуляторних батарей не є стабільною і налаштовується автоматично залежно від типу батареї, її поточного стану та температури, тоді як напруга в домашній мережі має бути постійною, без стрибків. Саме таке завдання і вирішує контролер потужності.
Ще одне важливе завдання сонячного контролера - забезпечити захист і безпеку. Це особливо важливо для мережевих систем, коли локальна сонячна система підключена до загальної мережі. У цьому випадку контролер потужності повинен синхронізувати вироблені локальною системою напругу і частоту з параметрами загальної мережі. Він також повинен забезпечувати стійкість роботи локальної системи при відключенні від загальної мережі під час збоїв.
З безпекою можуть виникнути серйозні проблеми, якщо локальна сонячна система продовжить видавати енергію в загальну мережу, незважаючи на те, що та більше не використовується. Це може бути небезпечно для обслуговуючого персоналу, який може випадково доторкнутися до силового кабелю, який, як він думає, знеструмлений. Колектор потужності дає змогу вчасно виявити таку ситуацію і відключити сонячну систему від зовнішньої мережі.
Відстеження максимальної потужності сонячної панелі (Maximum power point tracking, англ., MPPT) - дуже специфічний параметр контролера потужності в сонячних системах. Сонячні енергетичні системи виробляють протягом доби різну кількість енергії, яка залежить від інтенсивності падаючого на сонячні елементи світла. Метод MPPT дає змогу щоразу знайти той стан (або точку, тому що цей стан можна представити на графіку), у якому фотоелементи забезпечують максимальне вироблення електроенергії. MPPT-контролер постійно відстежує струм і напругу, що видаються сонячною панеллю, перемножує їхні значення і визначає співвідношення струм-напруга, за яких потужність цієї панелі буде максимальною. Вбудований у контролер процесор одночасно відстежує, на якій стадії заряду перебуває акумулятор (наповнення, насичення, вирівнювання, підтримка) і на підставі цього визначає, який струм потрібно подавати в акумуляторну батарею.
Головна мета методу MPPT полягає в тому, щоб управляти навантаженням, залежно від енергетичного стану сонячної панелі, щоб забезпечити найбільш ефективну передачу потужності від сонячних панелей.
Сьогодні є всі передумови, що наше покоління справді буде останнім, яке використовує для генерації електроенергії викопні види палива, тому кожен повинен знати основні принципи, які використовуються в системах з поновлюваними джерелами енергії, тому що за ними майбутнє. Це необхідно для правильного вибору рішень щодо забезпечення енергією свого будинку.
