Что такое солнечный инвертор, как он работает и сколько энергии теряет
Солнечный инвертор — это прибор, который превращает постоянный ток панелей в переменный ток 230 В (однофазный) или 400 В (трёхфазный) частотой 50 Гц, синхронный с сетью, и одновременно подбирает режим, при котором панели отдают максимум мощности (MPPT). Потери в хорошем инверторе составляют 2–4 % выработки: для станции 10 кВт в Минске, где за год получается около 10 120 кВт·ч, это примерно 200–300 кВт·ч.
Люди ищут «инвертор для солнечных батарей» и «сетевой инвертор», и в обоих случаях ответ начинается с одного: панель сама по себе не годится для розетки. Она выдаёт постоянное напряжение, которое меняется вместе с освещённостью и температурой, а дом и сеть ждут стабильный синус. Эту работу делает инвертор.
Как работает инвертор для солнечных батарей: четыре блока
Внутри любого строкового инвертора можно выделить четыре функциональных блока. Формулы здесь не нужны, достаточно понимать, что каждый из них делает.
- MPPT-преобразователь. Напряжение и ток панелей зависят от света и температуры, а мощность — их произведение — имеет один максимум. Преобразователь постоянного тока постоянно подстраивает нагрузку, чтобы работать вблизи этого максимума. Подробнее о кривой «ток — напряжение» и точке максимума — в статье «ВАХ панели и MPPT».
- Звено постоянного тока. Это конденсаторы, которые сглаживают поток энергии между панелями и выходом. Напряжение звена выше, чем напряжение панелей на выходе — у однофазных инверторов оно составляет порядка 360–400 В и выше.
- Мостовой инвертор. Силовые транзисторные ключи, которые с высокой частотой включаются и выключаются по закону широтно-импульсной модуляции. На выходе моста получаются импульсы переменной ширины, среднее значение которых повторяет синусоиду.
- Фильтр на выходе. Дроссели и конденсаторы сглаживают импульсы до гладкого синуса. Чем лучше фильтр и алгоритм, тем меньше гармоник — об этом отдельно написано в статье про чистый синус и THD.
Над всеми блоками стоит управляющая электроника. Она следит за сетью: напряжением, частотой, фазой. Сетевой инвертор подстраивается к этим параметрам и «встаёт в такт» с сетью. Если сеть пропала или вышла за допустимые границы, срабатывает антиостровная защита и инвертор отключается за доли секунды. Это требование безопасности: нельзя выдавать напряжение в обесточенную линию, где работают электрики. Механика описана в статье «Антиостровная защита солнечной станции».
Принцип работы сетевого инвертора и чем он отличается от других
Видов инверторов для солнечных станций несколько. Ниже — кратко, подробности вынесены в отдельные статьи.
- Сетевой инвертор. Работает только при наличии сети, отдаёт энергию панелей в дом и сеть, без батареи. Без напряжения сети отключается. Для мощных станций предприятий — самое распространённое решение, см. сетевые инверторы 10–50 кВт.
- Гибридный инвертор. Сочетает функции сетевого и зарядного, умеет работать с батареей и создавать напряжение в доме при пропаже сети. Выбор между ними описан в статье «Гибридный или сетевой инвертор».
- Автономный инвертор. Нет подключения к сети, система работает от панелей и батареи.
- Микроинвертор. Небольшой преобразователь на одну панель или пару панелей, который сразу даёт 230 В; панели работают независимо одна от другой. Отдельно — в статье про микроинвертор.
Модели для разных задач собраны в каталоге: сетевые инверторы и гибридные инверторы. В Беларуси частное лицо не продаёт излишки энергии в сеть, станция работает на собственное потребление, поэтому для дома типичен именно гибридный вариант с накопителем и точной настройкой отдачи.
КПД инвертора: максимальный и европейский
В паспорте почти всегда указаны две цифры. Это разные величины, и путать их нельзя.
- Максимальный КПД — лучшая точка, которую удалось измерить на стенде, обычно при нагрузке в районе половины или двух третей номинала. У современных строковых инверторов он лежит в диапазоне около 97–99 %.
- Европейский КПД — взвешенное среднее по режимам, которое учитывает, сколько времени инвертор реально работает при разной нагрузке. Его считают по формуле: 3 % × КПД при 5 % мощности + 6 % × при 10 % + 13 % × при 20 % + 10 % × при 30 % + 48 % × при 50 % + 20 % × при 100 %. Именно эта цифра ближе к реальной годовой картине, и она всегда чуть ниже максимальной.
Реальные потери зависят от того, как нагружен инвертор, от температуры и от мощности самого прибора. Все цифры КПД конкретной модели, включая график по режимам, указаны в паспорте.
Сколько энергии теряет инвертор за год: расчёт для станции 10 кВт
Годовая выработка в Минске по PVGIS составляет 1 012 кВт·ч с каждого киловатта панелей (оптимальный угол 39°, потери системы 14 %). Для станции 10 кВт: 10 × 1 012 = 10 120 кВт·ч. Это энергия, которая приходит к инвертору на входе. Потери считаем как разность между входом и выходом.
| Средний КПД за год | Потери, % | Потери, кВт·ч/год | Отдано в дом и сеть, кВт·ч/год |
|---|---|---|---|
| 96 % | 4 | 10 120 × 0,04 ≈ 405 | ≈ 9 715 |
| 97 % | 3 | 10 120 × 0,03 ≈ 304 | ≈ 9 816 |
| 98 % | 2 | 10 120 × 0,02 ≈ 202 | ≈ 9 918 |
Разница между КПД 97 и 98 % — около 100 кВт·ч в год. По тарифу 0,3037 руб./кВт·ч для домов с газом это примерно 30 рублей в год: 101 × 0,3037 ≈ 31 рубль. Поэтому гнаться за десятыми долями процента в КПД при выборе инвертора не стоит. Куда важнее правильно подобрать мощность и проверить, чтобы стринги вписывались в окно MPPT — об этом отдельно в статьях «Как подобрать мощность инвертора» и «DC/AC ratio».
У гибридного инвертора добавляется ещё одно звено: энергия, которая идёт в батарею и обратно, проходит двойное преобразование. КПД цикла LFP-батареи составляет 90–95 %, и эти потери нужно прибавлять отдельно.
Почему при малой мощности КПД ниже
Есть собственное потребление инвертора: питание управляющей электроники, вентилятора, дисплея, потери на драйверах ключей. Это постоянная величина в несколько ватт, не зависящая от нагрузки. Когда панели отдают мало — утром, вечером, в пасмурный день, — эта постоянная доля составляет заметную часть выходной мощности, и КПД падает. Переходные потери в ключах, наоборот, растут с током, поэтому при полной нагрузке КПД тоже чуть ниже максимума.
Практический вывод: на малую станцию не ставят избыточно мощный инвертор «с запасом на будущее» — большую часть времени он будет работать в зоне низких нагрузок, где КПД хуже. Но и сильно недогружать панелями не стоит: допустимый перегруз по входу (DC/AC) обсуждается в соответствующей статье. Срок службы инвертора, нагрев и износ узлов описаны в статье «Срок службы солнечного инвертора».
Частые вопросы
Нужен ли инвертор, если панели питают только 12-вольтовые приборы?
Если нагрузка постоянного тока и её напряжение соответствует панели через контроллер заряда, инвертор не нужен. Для обычных розеток 230 В он необходим.
Чем сетевой инвертор отличается от гибридного?
Сетевой работает при наличии сети и без батареи, а при пропаже напряжения отключается. Гибридный умеет работать с батареей и обеспечивать дом резервным питанием.
Может ли инвертор сам выйти из строя от перегрузки панелями?
Выход за предел по напряжению вход разрушает, а превышение мощности (по току и по мощности) в допустимых паспортом пределах прибор переживает, просто ограничивая выработку. Пределы напряжения проверяют расчётом Voc на холоде.
Как выбрать инвертор для конкретного дома?
Укажите нагрузку и размер крыши в расчёте станции или посмотрите готовые решения среди комплектов СЭС.