Гибридный инвертор для солнечных батарей: выбор и принципы устройства

Системы электроснабжения с одновременным использованием традиционной подачи тока и электроэнергии от солнца – экономически обоснованное решение для частного домовладения, коттеджных, дачных поселков и производственных помещений.

Незаменимый элемент комплекса – гибридный инвертор для солнечных батарей, определяющий режимы подачи напряжения, обеспечивающий бесперебойность и эффективность работы гелиосистемы.

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.

Схема работы системы: 1 – солнечные модули, 2 – контролер заряда, 3 – аккумуляторная батарея, 4 – преобразователь напряжения (инвертор) с подачей переменного тока (АС)

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:

1. Сеть – своего рода вместительный аккумулятор с КПД в 100%. Все излишки, выработанные фотоэлектрическими пластинами можно перенаправить в центральную сеть по «зеленому» тарифу.
2. Обеспечение бесперебойного питания. При отключении основного электропитания система перестраивается в автономный режим, защищая всех потребителей от «скачков» напряжения.
3. 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

Разновидности преобразователей тока

Выбирая «сердце» автономной системы электроснабжения, следует правильно сопоставить возлагаемые задачи на оборудование с его потенциальными возможностями. Основными признаками классификации гибридных инверторов являются: алгоритм изменения рабочих режимов, форма выходного напряжения и возможность обслуживания одно- или трехфазной сети.

Сравнение ББП и гибридной установки

Некоторые компании непроизвольно вводят потребителя в заблуждения, именуя блок бесперебойного питания (ББП) гибридным инвертором. Казалось бы, оба прибора выполняют схожие задачи, но есть существенное отличие.

ББП представляет собой инвертор с зарядным приспособлением. Модуль в первую очередь обеспечивает расходование энергии от фотоэлектрической установки, а при ее недостатке – переключается на потребление от сети.

ББП не способен выполнять функцию «подмеса» накопленной электроэнергии от аккумуляторных батарей с сетевой. Приоритетное потребление от источника DC реализовано путем отключения от сети и переходом на работу от аккумулятора

Функционирование системы в «дерганом» режиме провоцирует дополнительное циклирование аккумулятора и ускоряет его износ. В большинстве недорогих ББП пороговое напряжение установлено без возможности регулирования.

В моделях гибридных инверторов для солнечных батарей подобные скачки исключены – агрегат подстраивается под требуемую мощность и работает одновременно с разными источниками тока.

Можно самостоятельно выбирать приоритетное потребление. Как правило, упор делается на расходование энергии от солнечных батарей. В некоторых гибридных агрегатах предусмотрена опция ограничения мощности, поступающей от городской сети.

Сравнение функций популярных модификаций гибридных «конвекторов» и ББП. В серии моделей Victron предусмотрена возможность увеличения инверторной мощности за счет сетевой

Разновидности по форме сигнала инвертора

Преобразователи тока солнечных батарей классифицируют по типу выходного сигнала. Различают:

• чистая синусоида;
• модифицированный синус (квази-синусоида);
• меандр.

Последний вариант на практике практически не используется, так как резкая смена полярности вызывает сбои в работе аппаратуры.

Инвертор с подачей «П-образного» сигнала не сможет защитить устройства от перепадов напряжения. К тому же, основная часть бытовой техники не воспринимает «меандровый» ток

Чистая синусоида. Преобразователь выдает высококачественный сигнал, превосходящий форму тока сети. Это оптимальный вариант, обеспечивающий работу «чувствительной» аппаратуры: котлов отопления, компрессоров, электродвигателей, медицинской техники и приборов на базе трансформаторных источников питания.

Недостатки инверторов синусоидального колебания: высокая стоимость и крупные габариты. Покупка преобразователя с чистым синусом обойдется в два раза дороже модели с квази-синусоидой при равных показателях итоговой мощности

Квази-синус. Передача энергетики сигнала в форме модифицированной синусоиды способна снижать эффективность работы некоторых приборах, провоцировать появление шумов, вызывать помехи или приводить к поломке оборудования.

При питании низкочастотных трансформаторов, асинхронных, синхронных двигателей просматривается потеря мощности на 20-30%. Этот «недочет» преобразуется в тепловую энергию, излишне нагревая приборы.

Инверторы с псевдосинусоидальным сигналом отличаются компактностью и приемлемой стоимостью. Их использование целесообразно для питания приборов без индуктивных нагрузок, рассчитанных на потребление активных составляющих электромощности. К этой группе относятся: теплоэлектрические нагреватели, лампы накаливания осветительных систем и другие резистивные конструкции.

Варианты модифицированного синуса: 1 – усложненная форма меандра с паузой, 2 – приближение к чистому синусу за счет увеличения числа переходов

Форма выходного сигнала указывается в паспорте инвертора или бесперебойника. Возможные обозначения: «Back» – гарантия отсутствия чистого синуса, «Smart» — вероятность получения на выходе качественного тока.

Некоторые производители в сопроводительном документе отмечают коэффициент гармоник (индекс нелинейных искажений). Если параметр менее 8%, то агрегат выдает практически идеальный синус.

Однофазные и трехфазные модели

Однофазные инверторы преимущественно встраиваются в цепь фотоэлектрической системы бытового назначения со стандартным напряжением 220В. Диапазон выходного напряжения при подключении на одну фазу в разных моделях колеблется в пределах 210-240В, выходная частота – 47-55 Hz, мощность – 300-5000 Вт.

Однофазные инверторы выпускаются под стандартные значения напряжения аккумуляторных батарей: 12, 24 и 48 В. Чтобы преобразователь не функционировал на пределе возможностей необходимо согласовать мощность «конвектора» с напряжением солнечной батареи или аккумулятора.

Диапазон зависимости характеристик аккумулятора (напряжение — В) и солнечного преобразователя (номинальная мощность — Вт): 12 В – в пределах 600 Вт, 24 В – до 1,5 кВт, 48 В – свыше 1,5 кВт

Трехфазные инверторы применяются для подачи трехфазного тока, обеспечивающего питание электродвигателей. Преимущественное применение – производство, цеха, коммерческое назначение. Инверторы на три фазы отличаются высокой мощностью (3-30 кВт), широким диапазоном выходного переменного напряжения (220В/400В).

На рынке представлены и комбинированные модели. К ним относятся однофазные инверторы с возможностью синхронизации выходов преобразователя со сдвигом фаз – это позволяет питать трехфазные нагрузки.

Параметры выбора инвертора солнечной батареи

Эффективность работы преобразователя и всей системы электрообеспечения во многом зависит от грамотного выбора параметров оборудования. Кроме вышеописанных характеристик следует оценить:

• выходную мощность;
• тип защиты;
• рабочую температуру;
• габариты установки;
• КПД;
• наличие дополнительных функций.

Мощность. Номинал «солнечного» инвертора подбирается из расчета максимальной нагрузки на сеть и предполагаемого времени автономной работы. В пусковом режиме преобразователь способен отдавать кратковременное повышение мощности на момент ввода в эксплуатацию емкостных нагрузок. Такой период характерен при включении посудомоечных, стиральных машин или холодильников.

При использовании ламп освещения и телевизора подойдет маломощный инвертор на 500-1000 Вт. Как правило, требуется расчет суммарной мощности эксплуатируемой техники. Нужная величина указывается непосредственно на корпусе прибора или в сопроводительном документе.

Полученное значение желательно увеличить на 20-30% — это и будет требуемая выходная мощность инвертора. Например, суммарная мощность оборудования составляет 500 Вт/ч, срок автономной работы – 5 ч. Расчет: 500 Вт/ч*5ч*1,2=3000 Вт/ч

Уровень защиты. Качественный солнечный инвертор должен иметь несколько ступеней защиты. Возможные варианты: система принудительного охлаждения, предупреждение короткого замыкания, защита от провалов и выбросов напряжения в сети.

Немаловажно – наличие герметичного укрепленного корпуса, предупреждающего попадание вовнутрь частиц пыли, влаги. Показатель защиты электрооборудования нормируется согласно стандартизации IEC-952.

Индекс обозначается как IP AB, где А – уровень защищенности от проникновения посторонних частиц вовнутрь устройства, В – выносливость к воздействию влагой

Для условий эксплуатации на открытом воздухе подойдут модели с индексом «IP65» — прочность и надежность инвертора допускает его применение во внешней атмосфере.

Рабочая температура. Широкий интервал значений – показатель достойного качества сборки инвертора. Величина показателя особо актуальна при размещении преобразователя в неотапливаемом помещении.

Габариты установки. Вес – косвенный показатель качества инвертора. Существует мнение – чем тяжелее преобразователь, тем он мощнее. Это объясняется наличием в высокомощном оборудовании трансформатора. В «облегченных» моделях отсутствие трансформатора может стать причиной поломки инвертора при подаче высокого пускового тока.

Согласно наблюдениям, один килограмм веса  солнечного преобразователя соответствует выходной мощности 100 Вт. Габариты инвертора определяют способ его монтажа

КПД. Специалисты рекомендуют приобретать «конвекторы» тока с КПД от 90%. Только с таким параметром работа гелиосистемы будет эффективной, а ее обустройство целесообразным. Потеря 10% солнечной энергии – недопустимая «роскошь».

Дополнительный функционал. Расширенные возможности влияют на стоимость оборудования и не всегда востребованы. Однако некоторые опции оправдывают затраченные средства. К полезным и необходимым «девайсам» относятся:

• автоматическое добавление инверторной мощности к электроэнергии сети;
• регулировка периода зарядки аккумуляторной батареи;
• выбор приоритетного источника тока;
• поддержание работы с аккумуляторами разного типа (щелочными, литий железно-фосфатными, гелевыми, AGM, кислотными);
• возможность комбинированной работы с сетевым преобразователем;
• установка показателя напряжения — предупреждение «скачков» сетевого напряжения;
• возможность модернизации инвертора за счет обновления прошивок.

Современные преобразователи могут подключаться к ПК для программирования и мониторинга.

Для отслеживания работы оборудования и электросетей компании производители предлагают бесплатное программное обеспечение. Интересная опция – возможность отправки СМС-оповещения о состоянии системы по запросу пользователя

Обзор популярных гибридных преобразователей

Среди потребителей хорошие отзывы получили инверторы иностранных компаний: Xtender (Швейцария), Prosolar (Китай), Victor Energy (Голландия), SMA (Германия) и Xantrex (Канада). Отечественный представитель – МАП Sine.

Линейка многофункциональных инверторов Xtender

Гибридный преобразователь Studer от компании Xtender – воплощение швейцарского стандарта качества в силовой электроники. Солнечные инверторы серии Xtender отличаются показательными прочностными характеристиками и обширной функциональностью.

Многообразие моделей: ХТS – маломощные представители, ХТМ – модели средней мощности, ХТН – высокомощные инверторы.

Диапазоны мощностей Xtender: ХТS – 0,9-1,4 кВт, ХТМ – 1,5-4 кВт, ХТН – 3-8 кВт. Напряжение на выходе – 230 Вт, частота – 50 Гц

Каждой серии гибридных преобразователей Xtender присущи следующие характеристики и опции:

• чистая синусоида подачи;
• «подмес» мощности к сети от аккумулятора;
• при снижении сетевого напряжения потребление от центрального электроснабжения сокращается;
• два режима выбора приоритета: первый – «мягкий» с подпиткой от сети в пределах 10%, второй – полное переключение на аккумулятор;
• многообразие инстайллерских настроек;
• управление работой резервного генератора;
• режим ожидания с широким диапазоном регулирования;
• удаленный мониторинг параметров системы.

Во всех модификациях есть функция Smart Boost –подключение к разным «поставщикам» питания (генераторная установка, сетевой инвертор) и Power Shaving – гарантированное покрытие пиковых нагрузок.

Prosolar Hibrid – оптимизация выработки электроэнергии

Модель китайского производства имеет хорошие характеристики и приемлемую стоимость (около 1200 у.е.). Преобразователь оптимизирует работу солнечных батарей, сохраняя неизрасходованную энергию в аккумуляторе.

Технические характеристики: форма напряжения – синусоида, КПД преобразования – 90%, вес установки – 15,5 кг, допустимая влажность – 90% без конденсации, температура -25°С – +60°С

Отличительные особенности:

• опция отслеживания за точкой граничной мощности солнечной батареи;
• информационный ЖК-дисплей с отображением рабочих параметров системы;
• 3-х уровневое зарядное устройство аккумулятора;
• регулировка максимального тока до 25А;
• коммуникативность инвертора.

Преобразователь подсоединяется к ПК посредством программного обеспечения (поставляется комплектом). Есть возможность модернизации инвертора путем инновационной перепрошивки.

Синусоидальные преобразователи Phoenix Inverter

Инверторы Phoenix удовлетворяют высоким требованиям и подходят для производственного применения. Серия Phoenix Inverter выпущена без встроенного зарядного устройства. Преобразователи оснащены информационной шиной VE.Bus и допускают эксплуатацию в параллельных или трехфазных конфигурациях.

Диапазон мощностей модельного ряда – 1,2-5 кВт, КПД – 95%, тип напряжения – синусоида.

В таблице приведены характеристики гибридной модификации инвертора 48/5000 от компании Victron Energy. Ориентировочная стоимость Phoenix Inverter мощностью 5 кВт – 2500 у.е.

Конкурентные преимущества:

• технология «SinusMax» поддерживает запуск «тяжелых нагрузок»;
• два режима сбережения энергии – опция поиска нагрузки и понижение тока холостого хода;
• наличие реле сигнализации – оповещение о перегреве, недостаточном напряжении батареи и т.д.;
• настройка программируемых параметров через ПК.

Для достижения высокой мощности возможно параллельное подключение к фазе до шести преобразователей. Например, комбинация из шести приборов номиналом 48/5000 способна обеспечить выходную мощность – 48кВт/30кВА.

Отечественные лидеры: МАП Gibrid и Dominator

Компания МАП «Энергия» разработала две модификации гибридного преобразователя: Gibrid и Dominator.

Диапазон мощностей оборудования составляет 1,3-20 кВт, временной промежуток на переключение между режимами – до 4-х мс, предусмотрена возможность «подкачки» электроэнергии в городскую сеть.

Сравнительная таблица возможностей преобразователей. Оба вида способны работать в ЭКО режиме, каждая модель «связывается» с Web-сервером для удаленного мониторинга и корректировки

Общие характеристики конверторов напряжения Gibrid и Dominator:

• трансформатор на базе тора;
• стабилизация входного напряжения отсутствует;
• режим «подкачки» мощности;
• выход – чистый синус;
• генерация переизбытка энергии в сеть;
• ограничение тока потребления на входе АС;
• класс IP21;
• расход в «спящем» режиме – 2-5Вт.

КПД преобразователей достигает 93-96%. Приборы успешно прошли испытания на использование при сверхнизких температурах (граничное значение -25°, допустимы кратковременное снижение до -50°С).

Нюансы подключения: возможные схемы

При построении фотоэлектрического комплекса, комбинированного с центральной сетью, существуют разные варианты подсоединения инвертора.

Вариант 1. Схема с контроллером заряда DC. Наиболее популярный вариант, где заряжение аккумуляторной батареи осуществляется через солнечный контроллер МРРТ (анализ точки пиковой мощности).

В схеме используется преобразователь, поддерживающий передачу электричества в сеть или нагрузку, если напряжение аккумулятора превосходит заданный пользователем параметр

Особенности решения:

• эффективное использование возобновляемой энергии при наличии/отключении сети;
• возможность активации работы от солнечной системы после разрядки аккумулятора;
• несколько увеличенные потери на преобразование энергии на участке «контроллер-аккумулятор-инвертор».

Вариант 2. Сетевой преобразователь на выходе батарейного инвертора. Согласно схеме два «конвектора» подсоединены к разным солнечным батареям. Гибридный преобразователь подведен к опционной фотоэлектрической панели для подзарядки аккумулятора, сетевой – соединен с основным солнечным модулем.

При нормальных условиях (наличие сетевого тока) сетевой преобразователь питает резервируемую нагрузку, КПД преобразование – около 95%. Излишек энергии поступает на аккумулятор, а при его наполнении – в общую сеть

Характеристики системы:

• бесперебойная работа независимо от наличия центрального сетевого напряжения;
• высокий КПД и минимизация потерь на стороне DC благодаря достаточному уровню напряжения солнечной батареи;
• аккумуляторы почти всегда функционируют в буферном режиме, что увеличивает их срок службы;
• использование гибридных инверторов, рассчитанных на заряд аккумулятора с выхода;
• необходимость регулировки работы сетевого инвертора;
• суммарная мощность сетевого преобразователя не должна превышать мощность гибридного «конвертора» — это позволяет утилизировать энергию солнечных батарей в случае разряда аккумулятора, отключения сети.

Независимо от выбранной схемы, при подключении инвертора следует учитывать ряд нюансов:

1. Проводные соединения для DC не должны быть длинными. Инвертор желательно располагать в близости (до 3-х м) от солнечных батарей, а далее «наращивать» магистраль с AC.
2. Преобразователь недопустимо монтировать на конструкции из горючих материалов.
3. Стеновой инвертор располагается на уровне глаз для удобства считывания информации с дисплея.

К подключению моделей мощностью более 500 Вт предъявляются особые требования. Соединение должно быть жестким с надежным контактом между клеммами прибора и проводами.

Выводы и полезное видео по теме

Понятие «гибридного инвертора», его устройство, функции и варианты исполнения:

Обзор возможностей, режимов работы и эффективности использования многофункционального преобразователя InfiniSolar на 3 кВт:

Проектирование солнечной системы электроснабжения – сложная и ответственная задача. Расчет необходимых параметров, подбор составных компонентов гелиокомплекса, подключение и ввод в эксплуатацию лучше доверить профессионалам. Допущенные ошибки могут привести к сбоям в системе и неэффективному использованию дорогостоящего оборудования.