ЕНЕРГИЯ - Списание за оборудване, технологии и инженеринггодина V, брой 6, 2013

Инвертори и оптимизатори в близост до соларните модули

Инвертори и оптимизатори в близост до соларните модули

От икономическа гледна точка, паралелните системи станаха жертва на намаляване на разходите, наложени от проектиращите инженери: последователното свързване спестява инсталационни материали. От друга страна, съществува една сериозна последица, а именно – частичното засенчване дори на един панел незабавно засяга всички останали модули. Според законите на физиката, най-слабият модул определя мощността на всички модули в стринга. Някои производители на инвертори реагираха с по-нататъшно развитие на своите централни инвертори, в опит да се противопоставят на това явление. Други предпочитат разпределени решения с оптимизатори на мощността или модулни инвертори. Още се водят спорове за най-доброто техническо и икономическо решение.

Ситуацията достига първата си кулминация през 2009г. В ЕС PVSEC в Хамбург, световният лидер на пазара на инвертори SMA представи софтуерното решение Optitrac Global Peak за премахване на така наречените локални пикове. Тези пикове се получават когато са засенчени отделните модули на стринга. Според SMA, Optitrac открива истинската точка на максималната мощност, за разлика от някои предполагаеми MPP. По този начин е възможно да се намали действителната загуба при засенчване само с няколко процентни пункта. Това решение е отговорът на SMA на постепенното изграждане на децентрализирани решения, които също обещават да елиминират проблема със засенчването. По време на дискусиите в ЕС PVSEC по-голямата част от производителите на решения на ниво модул бяха обединени в техните съмнения относно ефективността на Optitrac.

Разделяне на AC и DC функциите
Оптимизаторите на мощност са DC-DC конвертори, които използват наличния ток на засенчен модул. Обикновено засенченият модул минава в режим на байпас и е изключен напълно. Дори и така може да се подава ток, който съответства на около 30% от пълната му мощност. Оптимизаторът е в състояние да извлече тази намалена продукция, която иначе би била загубена в режим на байпас, и по този начин може да се сведе до минимум въздействието на засенчването върху общия добив. Много от тези оптимизатори на мощност са се появили на пазара през последните години.

Израелската компания SolarEdge стартира производството на DC-DC конвертор под името "POWERBOX". Продуктът е комбинация от централизирани и децентрализирани системни технологии. Децентрализирана в този случай означава, че MPP проследяването се извършва директно в модула, а задачите по DC-AC преобразуването и системата за контрол остават за стринговия инвертор. SolarEdge разделя двете функции, които инверторът обикновено изпълнява. Твърди се, че производителността се подобрява с 25%, когато има засенчване.

Xandex поддържа концепция, подобна на DC-DC конвертор. "Sunmizer DC Power Optimizer" обещава да възстанови около 50% от загубите, дължащи се на засенчване. Във фотоволтаичната търговската преса беше съобщено, че калифорнийската компания е преустановила производството на оптимизатора - може би защото не е икономически ефективен. Исканията за информация от първа ръка за съжаление са останали без отговор.

До преди години National Semiconductor бе представена на пазара със своя "Solarmagic Power Optimizer".Това решение също се основава на разделяне на функциите на инвертора и MPP проследяването, но в този случай за отделни стрингове. В същото време обаче, продуктът е изчезнал от интернет страницата на производителя. Разпространението е било преустановено в полза на интегрирана схема от подразделението на National Semiconductor SolarMagic. По този начин производителите на разклонителни кутии са в състояние да изградят свои собствени оптимизатори на мощност.

Със своето решение "Maximizer", Tigo Energy предлага оптимизатор на ниво модул, който да повиши ефективността на по-старите модули с 35%. Според данните от измерванията, събрани от търговското списание "Фотон", оптимизатора на Tigo е способен на 3,2% увеличение на добива на нова, незасенчена система. Tigo е основана през 2007г. и има офиси в Силиконовата долина, Калифорния.

Микроинвертори
Инверторите на ниво модул – за разлика от конвенционалните, умножават инверторните функции, които обикновено са възложени на целия стринг към всеки отделен модул. Всеки модул е снабден със собствено MPP проследяване. Такива микро или модулни инвертори, както също се наричат, могат да бъдат класифицирани като децентрализирани компоненти на системата по този начин. Както DC-DC конвертора, те позволяват управление на мощността от всеки един фотоволтаичен модул. В същото време осигуряват основната функция на инвертора - DC-AC преобразуване. Микроинверторите представляват най-малкия клас инвертори.

Enphase Energy, Ink. от Калифорния разгласяват своя продукт уверено и цитират професор от Бъркли на продуктовата си листовка: "Аз всъщност мисля, че това е, в известен смисъл, най-важният технологичен пробив, който фотоволтаичната индустрия някога е виждала". На вътрешните страници обаче, те слизат отново на земята и оценяват допълнителната доходност на тяхното решение на ниво модул от 5 до 25%.

друга компания е британска Enecsys, чийто модулен инвертор стартира производство преди няколко години със сертифициране за европейските и американските пазари. Благодарение на нова кондензаторна технология, инверторът на Enecsys се оказва, че може да постигне максимална ефективност от 94,1%.

Dellta Energy Systems GmbH, германското дъщерно дружество на тайванската група Delta, има микроинвертор, насрочен за пускане на американския пазар през следващата година. Все още предстои да бъдат публикувани техническите детайли. Фирмата е разработила модулен инвертор още през 1999г. и са продадени 35 000 броя от този продукт на белгийския пазар.

Икономически неизгодни ли са решенията на ниво модул?
Дискусията дали оптимизаторите на ниво модул и инверторите са еквивалентни, или може би дори превъзхождат централните и стринговите инвертори, в същото време почти се превръща във война. Тестовете показват, че оптимизаторите на мощност, предлагани на пазара, наистина правят точно това, което обещават: в случай на засенчване, те предвиждат увеличаване на производството на електроенергия, т.е. временно по-висока доходност. Размерът на това увеличение обаче, е въпрос на голям спор.

Heribert Schmidt, старши изследовател във Фраунхоферския Институт за слънчеви енергийни системи в южната част на германския Фрайбург, поставя под въпрос валидността на тези измервания: "Решенията на ниво модул наистина постигат само 25 или 50% увеличение на производството в специфични ситуации. По-важното е как модулът се държи при по-дълъг период от време."

В същото време, по-висока доходност не е само действително интересен фактор за икономически мислещия оператор на фотоволтаичната инсталация. Повече от решаващо значение за успеха или провала на техническа концепция са разходите, направени през целия му живот: така наречената "обща цена на притежание"

Това е подходът, възприет от проучване, представено на 26-тия фотоволтаичен симпозиум в Bad Staffelstein (Германия) от SMA. Пазарният лидер заключава, че по отношение на общата цена на притежание, местата за монтаж са незначителни, средни и значими засенчвания се третират най-икономично чрез концепцията паралелен стринг или мултистринг. За SMA, решенията на ниво модул се справят по-добре за наблюдатели с пристрастно мнение.

Променливотоковите модули могат да бъдат интересни, когато засенчването е значително, при условие че специфичните разходи могат да бъдат намалени още повече. При всички останали сценарии, DC-DC модулните решения изостават от мулти-стринговите варианти и променливотоковите модулни варианти. Високите инвестиционни разходи и поддръжката подкопават икономическата жизнеспособност на DC-DC модулите.

В бранша не липсва противопоставяне на тези хипотези. Според проучващи пазара консултанти IHS iSuppli в El Segundo, Калифорния, управлението на мощността на ниво модул ще се възползва от "Закона на Мур", който гласи, че функционалните възможности на интегралните схеми се удвояват приблизително на всеки две години. Въз основа на това, разходите за MLPM решения ще спаднат до само една трета от цената си.

Удобно конфигуриране и инсталиране
Сравнителни проучвания от страна на привържениците на решенията на ниво модул все още не са публикувани и така истинската стойност на тези компоненти остава недокументирана за момента. Ето защо, няма никакво рационално обяснение за относителния успех на DC-DC и AC модулите.

В края на краищата, "малките черни кутии" със сигурност не могат да бъдат описани като нагревателни уреди. Компанията Solaredge сама вече е била в състояние да оборудва 80MW със стартирания POWERBOX.

ISE изследователя Шмид смята, че производителите на решения на ниво модул са адаптирали своите маркетингови стратегии.

Други аспекти се придвижват на преден план – като готовност за изключване на отделни модули. Този фактор, който отчасти е вследствие на нормативните изисквания в САЩ, наистина се популяризира от повечето производители. Същото важи и за мониторинга на отделните модули, което е възможно само чрез оптимизатори и инвертори на ниво модул.

MPP проследяване
MPP означава "Максимална точка на мощността" (Maximum Power Point) – с други думи, точката от волтамперната характеристика на слънчевия модул, в която се постига максимална мощност. Мощността се изчислява като произведение на напрежението и тока: P=UхI. По този начин тя може да бъде определена само за конкретно работно състояние. Задачата на MPP проследяването на инвертора е по този начин да гарантира, че неговите модули работят възможно най-близо до MPP мощността при всякакви условия на околната среда.

MPP проследяването може да се разглежда като един вид функция за търсене. Централният елемент на софтуера е алгоритъм, който измерва тока и напрежението на кратки интервали. В зависимост от това дали новата MPP е по-висока или по-ниска в сравнение с предходното измерване, MPP се поддържа или се ревизира. След това контролерът изпраща сигнал за регулиране на експлоатационното състояние на модулите към новата MPP. Актуалното състояние на технологиите е мулти-проследяване. В този случай, инверторът комуникира с няколко паралелни проследяващи устройства.

Не може да бъде пренебрегвано обаче, че подема на компонентите на модулно ниво може да се дължи на доста тривиална причина. Това е очевидно, а именно – много американски компании са активни в тази област, а САЩ е известен като основния пазар от производителите като цяло. Консултантите от IHS Isuppli вече отбелязаха, че Съединените щати и Канада са най-големите пазари за семейни домашни системи с управление на захранването на ниво модул. От компанията Delta, също смятат, че той е идентифициран на фона на този успех на пазара в Северна Америка.

Друг важен момент е, че американската система за стимули благоприятства стъпка по стъпка завършването на големи инсталации. Ако въвеждането в експлоатация на фотоволтаичната инсталация се разпростре в продължение на няколко години, данъчните облекчения в САЩ могат да се изискват за целия този период. Бумът в търсенето от Северна Америка не е малък, както убеждава Delta Energy, за да възобнови своя отдавна забравен модулен инвертор от 1999г. и да продължи развитието на днешния пазар.

Очевидно няма избягване от тази тенденция. Един от лидерите на пазара за стрингови инвертори SMA, също реши да произвежда модулен инвертор за себе си. За тази цел от SMA са закупили съответната технологична платформа от холандската фирма OKE-Services и планират да разработят цяло семейство продукти от модулни инвертори. Защо сега разработката е в противоречие с дългогодишната и яростна подкрепена и убеждения на SMA? "Ние виждаме приложения в много малките фотоволтаични системи между 1 и 2kW", казват от компанията. И като лидер на пазара в края на краищата, компанията естествено иска да бъде в състояние да предложи пълния спектър от инверторни концепции. Всичко това звучи много различно от това, което чувахме само преди няколко години. Но може би това е само, защото нещата не винаги са били по-добре в миналото.