Оптимизаторы для солнечных панелей

В прошлом мы коснулись концепции инверторов, но мимоходом я только упомянул об "оптимизаторах". Бродит много вопросов в сети, поэтому пришло время для небольшого вступления к двум лидерам рынка на этом пространстве. Это Tigo (Америка) и SolarEdge (Европа). У них разные подходы к решению задачи, свои плюсы и минусы.

Строение солнечной панели

Солнечные панели состоят из нескольких отдельных солнечных элементов, соединенных последовательно. Каждый из этих ячеек ведет себя как два разных электрических устройства в одно и тоже время: устройство, похожее на батарею, которое выдает постоянный ток при напряжении 0,5 вольт, и очень маленький резистор, который потребляет часть этой энергии обратно. Каждый из этих процессов, производство и сопротивление, зависит от количества света.

При ярком солнечном свете батарея выдает гораздо больше, чем потребляет резистор, поэтому элементы вырабатывают чистую выходную мощность. Но в затенении или ночью резистивная составляющая сторона вещей подавляет выработку - что весьма не удивительно.

Когда вы соединяете ячейки последовательно, они "складывают" напряжения и сопротивления. Поэтому, когда вы соединяете все эти ячейки вместе, каждое из этих 0,5 вольт складывается вместе. Современные панели имеют 60 или 72 ячейки, поэтому в нормальных условиях они работают около 30 В (36 В). Но сопротивления тоже складываются.

Когда вы строите систему солнечной энергии, у вас обычно есть несколько панелей, соединенных вместе. Штекеры на панелях предназначены для последовательного подключения, поэтому при каждом добавлении панели напряжение повышается - 35 В с одно панели, 70 В с двумя и так далее. Кабели и разъемы обычно ограничены либо 600 В, либо 1000 В (сегодня уже есть 1500 В), в зависимости от того, где вы находитесь - поэтому часто мы видим последовательность из 12 - 20 панелей. Когда вы так подключаетесь у вас появляется одна большая панель с 720 ячейками вместо 60.

Так вот в чем проблема... представьте, что у вас ряд панелей, а сбоку - тень. И поскольку каждый электрон из каждой клетки должен пройти через каждую панель на своем пути в сеть, эта единственная панель поглощает энергию из всего массива.

Это плохо. 

Одним из решений было бы бы соединить панели параллельно, как современные огни рождественской елки, которые не гаснут при выходе из строя одной лампы. В этом случае, если панель была затенена или сломана, это не оказывало бы никакого влияния на стринг в целом - питание от других панелей "обошло бы" эту панель, а не шло через нее.

Но здесь ожидает другая проблема. Когда вы подключаете последовательно, напряжение возрастает, а сила тока остается такой же, но когда вы подключаете параллельно, напряжение остается таким же, а сила тока повышается. Любой провод ограничен силой тока или количеством тока, который он может проводить. Провод сечением 14 в вашем доме ограничены до 20 А, поэтому мы ставим автоматы на 15 А для безопасности. Типичная панель может выдавать от 6 до 8 ампер, поэтому с этим проводом мы можем соединить только две панели. Если вы хотите собирать мощность из параллельных цепочек панелей вам нужно позаботится о проводах большого сечения. А медь дорога в наши дни. 

Поэтому так зачастую не поступают. Мы подключаем последовательно и миримся с недостатками.

Строение инвертора

Каждая "сетевая" фотоэлектрическая система выглядит одинаково, если смотреть на нее из далека - есть панели, инвертор и сеть. Когда я визуализирую эти вещи, я всегда представляю системы с панелями слева и сеть справа, а инверторы расположены между ними посередине. Большая часть тяжелой работы находится в инверторе. Много магии должно произойти в середине. 

По сути, каждая инверторная система состоит из трех частей. С одной стороны (слева) находятся панели, которые подключены к инвертору. Чтобы получить от них наибольшую мощность, инвертор должен использовать систему MPPT, так называемую систему "Отслеживания максимальной мощности". После этого это преобразователь постоянного тока, который принимает выходной сигнал от панелей и преобразует его в фиксированное выходное напряжение, и наконец, есть преобразователь постоянного тока в переменный, единственная часть,  которая по праву называется инвертором, которая принимает фиксированный постоянный ток на выходе и превращает его в переменный ток сети. 

Нет ни одной причины, по которой эти все три части должны находится в одной коробке, хотя большинство систем делают именно так. На самом деле есть очень веский аргумент в пользу их разрыва. 

Расставаться легко

Напомним, что выходная мощность панели меняется  с инсоляцией. Вот и вся идея MPPT - вытащить максимальное количество энергии для любых заданных условий. А поскольку освещение со временем меняется, мы продолжаем изменять настройки MPPT так быстро, как можем, и в идеале сотни раз в секунду. 
Но эти условия не просто меняются со временем, они также меняются от панели к панели. Представьте, что одна панель в стринге затенена, поэтому ее сопротивление выше, а ее напряжение ниже, чем у остальных панелей. Инвертор в конце стринга видит весь стринг как одну большую панель, поэтому он настраивает MPPT в соответствии с системой в целом. Но на самом деле это означает, что все панели больше не находятся в точке MPPT ... затененную панель просят работать "слишком тяжело", а остальные "слишком слабо".

В идеале мы бы хотели разместить MPPT на каждой панели - или на каждой ячейке, если это было бы возможно. 

Это вся идея микро-инвертора. Размещая отдельные инверторы на отельных панелях, вы изолируете каждую панель и получаете индивидуальный MPPT. А поскольку вы повышаете напряжение с 30 до 240 В, потери в проводе не являются такой проблемой, поэтому можно использовать параллельную проводку. Теперь, если одна панель выходит из строя, ничего страшного. 

Но задумайтесь на секунду... если деталь, которую мы хотим видеть на панели, - это MPPT, зачем помещать на панель весь инвертор? Почему не только сам MPPT?

И это концепция оптимизатора.

Решение Tigo

Tigo оптимизаторыTigo Energy of California - один из крупнейших игроков на рынке оптимизаторов. Они делают очень маленькую корпусную коробку, которая крепится к раме панели и оптимизирует эту панель. На самом деле их последние версии имеют два из этих оптимизаторов в одной коробке, что снижает относительную стоимость коробки - для единицы за 95$, который является серьезным аргументом. Использование Tigo проще не придумаешь, вы просто подключаете панели к Tigo, а затем соединяете панели вместе, как любой обычный стринговый инвертор.

Tigo использует очень умную концепцию, известную как "согласование импедансов", которая помогает улучшить сбор энергии от массива в целом. Это может показаться не логичным, но я буду стараться объяснить...

Представьте себе цепочку с одной затененной панелью посередине. Эта панель не только вырабатывает меньше энергии, но и замедляет прохождение тока от всех панелей. Таким образом, теперь инвертор в конце видит определенное напряжение и ток и настраивает MPPT, пытаясь получить эти два значения до максимума. Проблема заключается в том, что с этим дополнительным сопротивлением в цепи точка, которую он выберет, будет неправильной для каждой панели - слишком "высокой" для затененной напели и слишком "низкой" для не затененной. 

Во многих случаях вы можете улучшить общую выработку, полностью отключив эту панель. Теперь MPPT инвертора видит только хорошие панели и правильно их настраивает. Но что произойдет, если у вас будет две затененные панели или четыре? В какой-то момент вы не можете просто отключить их, потери будут слишком велики.

Так что Tigo делает больше сопротивление цепи... верно, больше. Но они добавляют это параллельно с отдельными панелями. Когда вы сделаете это, у вас будет два пути, чтобы взять энергию один путь - через панель и один - обойдя ее. Теперь вы можете подумать, что вы просто хотите добавить нулевое сопротивление на круговой траектории, но это не правильно - как минимум, вы хотите добавить сопротивление, которое будет иметь панель, когда она работает идеально, маленькое, но не нулевое. Но на самом деле вы можете настроить его, если вы тщательно контролируете сопротивление на каждой панели, можете максимизировать количество энергии, получаемой от массива в целом.

Удивительная вещь во всем этом заключается в том, что Tigo делает все это только с помощью каких-то умных программируемых индукторов.

Поскольку система должна работать на стринговом уровне, кто-то должен полностью контролировать ее. У Tigo есть еще одна коробка, MMU, которое может видеть все оптимизаторы и затем отправлять им инструкции о том, что делать. Они делают это, используя беспроводное соединение, через коробку, известную как шлюз. Это начинает звучать немного сложнее сейчас? Другая проблема заключается в том, что у беспроводного соединения не очень высокая производительность, поэтому Tigo посылает только обновления о том, что они должны делать время от времени. Это делает систему неспособной иметь дело с отдельными облаками или подобными временными эффектами.

Tigo также не помогает с эффектом Рождественского света - если одна из панелей выпадает, Tigo может отрезать ее от стринга, но если одна панель выбывает, стринг проседает.

оптимизаторы SolarEdgeРешение SolarEdge

SolarEdge находится за пределами Израиля и они очень успешны в Европе.

Как и у Tigo, сердцем SolarEdge является небольшая коробка, которая идет с панелью, но их коробка немного больше и тяжелее, чем у Tigo, поэтому она крепится к монтажным конструкциям, а не к панели. Механически, это единственное отличие. 

Электрически они не могли быть еще более разными.

Идея SolarEdge - разделить традиционный инвертор на две части. Одним из них является этап DC-AC, который они помещают в коробку на стене. Две другие ступени, MPPT и DC-to-DC, они ставят на крышу. Так что в основном это 2/3 микроинвертора.

Теперь, чем это лучше по сравнению с обычным микроинвертором? Мы описывали это в предыдущей статье - в основном, трудная часть преобразования - это последняя ступень, постоянный ток - переменный ток, потому что он требует всех видов накопления энергии в виде конденсаторов. Поэтому, если вы оставите это за пределами системы на крыше, у вас останутся MPPT и DC-to-DC, которые намного меньше и надежнее. Между тем "плохая" часть, постоянный ток со всеми его конденсаторами, выходит на стену, где его легко обслуживать.Это также обеспечивает удобное место для всех связанных частей, таких как мониторинг и связь. 

Ящики SolarEdge являются настоящим MPPT, поэтому каждая панель постоянно настраивается на свою точку MPPT. Затем система контролирует выходной сигнал, так что строка в целом выдаст 350VDc.  Это упрощает инвертор, потому что он всегда работает от 350В до 240 В переменного тока (или 220/230 в Европе).

Борьба

Так какой подход лучше? С чисто теоретической точки точки зрения SolarEdge будет получать больше энергии из системы, он запускает MPPT на каждой панели, а не на массиве в целом. Но в практическом плане они получают это, добавляя больше схем на крышу, поэтому стоимость должна быть выше для системы в целом. Они могут немного компенсировать это, потому что у них нет полного стрингового инвертора на конце, их инвертор значительно упрощен, потому что у него нет ступени MPPT и DC-to-DC. Тиго использует обычный, полный инвертор.

Тиго фактически отклоняет подход Solar Edge в своем официальном документе. Если вы посмотрите на страницу 5, во втором разделе говорится, что если вы установите DC-DC на крышу, как SolarEdge, вы потеряете от 2 до 3% энергии. Но прочитайте это внимательно... они говорят о дополнительной стадии. SolarEdge удаляет постоянный ток в инверторе, поэтому нет "дополнительного". Судя по числам, которые мы видели, SolarEdge оценивает системы на основе Tigo с точки зрения общей производительности и эффективности. 

И вот в чем дело... В каждом сценарии, который я запуская, система SolarEdge также дешевле. Здесь попробуйте зайти на этот сайт

Итак, два Power-One 5k имеют 2x 2222,33 доллара = 4444,66 доллара = 44 цента за ватт. Теперь добавьте 20 двойных Tigo, 20x 92,40 = 1848 долларов и комплект Gateway / MMU по 335,89 долларов = 336 + 1,848 долларов + 4,445 = 6819 долларов или 68 центов за ватт .

Хорошо, теперь сравним это с SolarEdge, где мне нужны два 5k инвертора по 2 × 1 608,41 = 3216,82 $ и оптимизаторы по 40x 71,63 $ = 2 865,20 $. 2865 долл. США + 3216 долл. США = 6 081 долл. США, или 61 цент за ватт .

Я испробовал все виды сценариев, больших и малых, и SolarEdge всегда, кажется, выходит на первое место, либо из-за бесплатного мониторинга, либо из-за низкой стоимости их упрощенных инверторов. И я должен отметить, что это розничные цены.

Таким образом, кажется, что Tigo остается отличным решением, где инвертор уже существует, например, добавление к существующему массиву или когда вы используете центральные инверторы. Но для всех малых и средних систем, которые находятся на стадии становления, если оптимизация на уровне модулей является требованием, SolarEdge кажется подходящим вариантом.

Обновление: я чувствую, что должен также отметить, что, несмотря на все преимущества оптимизаторов по сравнению с микроинверторами, у микро все еще есть одно огромное преимущество. В любой системе оптимизатора выход в конечном итоге попадает в инвертор, и этот инвертор должен быть рассчитан на массив в целом. Это означает, что вам нужно иметь всевозможные инверторы для работы с системами разных размеров. Для сравнения, один микро может использоваться в любой системе, от одной панели до мегаватт. Это упрощение времени разработки не следует недооценивать. Тем не менее, рынок фотоэлектрических приборов смехотворно чувствителен к цене (к его ущербу, ИМХО), и кажется, что более низкие затраты на подход оптимизатора выиграют многие проекты, несмотря на любые теоретические недостатки.

Категории