اینورتر خورشیدی

اینورتر خورشیدی یا اینورتر فتوولتائیک (PV) نوعی اینورتر قدرت است که جریان مستقیم متغیر (DC) خروجی یک پنل خورشیدی فتوولتائیک را به یک جریان متناوب فرکانس شهری (AC) تبدیل می‌کند و انرژی تولیدی را به شبکه برق سراسری و یا به یک شبکه برق محلی و جدا از شبکه سراسری تزریق می‌کند. اینورترهای برق خورشیدی دارای عملکردهای ویژه ای هستند که برای استفاده با آرایه های فتوولتائیک سازگار شده اند، از جمله ردیابی نقطه حداکثر توان و محافظت در برابر حالت ضد جزیره ای شدن، اتصال کوتاه، پولاریته معکوس، ولتاژ پایین، ولتاژ و دمای بیش از حد.

انواع اینورتر خورشیدی

اینورترهای خورشیدی را می توان به چهار نوع کلی دسته بندی کرد:

۱. اینورترهای مستقل از شبکه: در سیستم‌های قدرت منفصل از شبکه که در آن اینورتر انرژی DC خود را از باتری‌های شارژ شده توسط آرایه‌های فتوولتائیک می‌گیرد، استفاده می‌شود. بسیاری از اینورترهای جدا از شبکه همچنین از شارژرهای باتری یکپارچه برای پر کردن باتری از منبع AC در صورت موجود بودن استفاده می کنند. معمولاً به هیچ وجه با شبکه شهری ارتباط ندارند و به این ترتیب نیازی به داشتن محافظت ضد جزیره ای نیست.

۲. اینورترهای متصل به شبکه: که فاز را با موج سینوسی ارائه شده توسط شرکت تطبیق می دهند. اینورترهای اتصال به شبکه طوری طراحی شده اند که به دلایل ایمنی در صورت قطع منبع برق به طور خودکار خاموش می شوند و تولید برق را در هنگام قطعی برق شبکه متوقف می کنند.

۳. اینورترهای با باتری‌ بکاپ: اینورترهای ویژه ای هستند که برای کشیدن برق از باتری، مدیریت شارژ باتری از طریق شارژر داخلی و فروش برق مازاد به شبکه برق سراسری طراحی شده اند. این اینورترها قادر به تامین انرژی AC برای بارهای انتخابی در هنگام قطع برق هستند و باید حفاظت ضد جزیره ای داشته باشند.

۴. اینورترهای هیبریدی هوشمند (سانورتر): آرایه فتوولتائیک، ذخیره برق در باتری و شبکه برق را مدیریت می کنند که همگی آنها مستقیماً به دستگاه متصل می شوند. این سیستم‌های همه کاره مدرن معمولاً بسیار تطبیق‌پذیر هستند و می‌توانند برای مصارف متصل به شبکه‌، مستقل و یا بکاپ استفاده شوند، اما عملکرد اصلی آن‌ها مصرف داخلی با استفاده از باتری است.

ردیابی نقطه حداکثر توان

اینورترهای خورشیدی از ردیابی نقطه حداکثر توان (MPPT) برای دریافت حداکثر توان ممکن از پنل خورشیدی استفاده می کنند. پنل های خورشیدی رابطه پیچیده ای بین تابش خورشید، دما و مقاومت کل دارند که بازده خروجی غیرخطی به نام منحنی I-V ایجاد می کند. هدف سیستم MPPT نمونه برداری از خروجی پنل ها و تعیین مقاومت (بار) برای به دست آوردن حداکثر توان برای هر شرایط محیطی معین است.

ضریب پُرکنندگی، که بیشتر با مخفف آن FF شناخته می شود، پارامتری است که در ارتباط با ولتاژ مدار باز (Voc)  و جریان اتصال کوتاه (Isc) پانل، حداکثر توان یک سلول خورشیدی را تعیین می کند. ضریب پرکنندگی به عنوان نسبت حداکثر توان از پنل خورشیدی به حاصل ضرب Voc و Isc تعریف می شود.

سه نوع اصلی الگوریتم MPPT وجود دارد: اغتشاش و مشاهده، رسانایی افزایشی، و ولتاژ ثابت. دو روش اول اغلب و اصطلاحا به عنوان روش های تپه نوردی شناخته می شوند، زیرا مقدار آنها بر روی منحنی ترسیمی قدرت در تقابل افزایش ولتاژ به سمت چپ نقطه حداکثر توان و کاهش به سمت راست آن بستگی دارد.

اینورترهای خورشیدی متصل به شبکه (اینورتر آنگرید)

قابلیت اصلی اینورترهای در تعامل با شبکه (سنکرون شبکه) یا به لفظ ساده تر، اینورتر متصل به شبکه(GTI) ، همگام سازی فاز، ولتاژ و فرکانس برق تولیدی با شبکه است. اینورترهای خورشیدی به گونه ای طراحی شده اند که در صورت قطع شدن شبکه برق سراسری، به سرعت از آن جدا شوند. این مورد یکی از الزامات NEC است که تضمین می‌کند در صورت خاموشی، اینورتر متصل به شبکه خاموش می‌شود تا از آسیب رسیدن به تعمیرکاران خطوط برق شبکه شهری به واسطه برق تولیدی نیروگاه خورشیدی، جلوگیری کند. اینورترهای خورشیدی زمانی که وجود شبکه را تشخیص ندهند کار نمی کنند. آنها دارای مدارات ویژه ای هستند که دقیقاً با ولتاژ، فرکانس و فاز شبکه مطابقت دارند. هنگامی که شبکه شناسایی نشود، اینورترهای متصل به شبکه برای جلوگیری از جزیره شدن که می تواند باعث بروز مشکلات ایمنی شود، دیگر هیچ برقی تولید نمی کند.

اینورترهای متصل به شبکه ای که امروزه در بازار موجود هستند از فناوری های مختلفی استفاده می کنند. اینورترها ممکن است دارای ترانسفورماتورهای فرکانس بالای جدید، ترانسفورماتورهای فرکانس پایین معمولی یا بدون ترانسفورماتور باشند. به جای تبدیل مستقیم جریان مستقیم به 120 یا 240 ولت AC، ترانسفورماتورهای فرکانس بالا از یک فرآیند چند مرحله ای کامپیوتری استفاده می کنند که شامل تبدیل توان به AC فرکانس بالا و سپس بازگشت به DC و سپس به ولتاژ خروجی AC نهایی است. از گذشته، همواره نگرانی هایی در مورد تغذیه سیستم های الکتریکی بدون ترانسفورماتور به شبکه برق سراسری وجود داشته است. نگرانی‌ها از این واقعیت ناشی می‌شوند که فقدان ایزوله گالوانیکی بین مدارهای DC و  ACوجود دارد که می‌تواند اجازه عبور خطاهای خطرناک DC را به سمت AC بدهد.

اینورترهای خورشیدی پمپاژ آب

اینورترهای خورشیدی پمپ آب، ولتاژ DC پنل خورشیدی را به ولتاژ AC تبدیل می کنند تا انواع پمپ آب را مستقیماً بدون نیاز به باتری یا سایر وسایل ذخیره برق روشن کنند. اینورترهای خورشیدی پمپاژ با استفاده از MPPT (ردیابی نقطه حداکثر توان)، فرکانس خروجی را برای کنترل سرعت پمپ ها تنظیم می کنند تا موتور پمپ را از آسیبهای احتمالی نجات دهند.

اینورترهای پمپاژ خورشیدی معمولاً دارای چندین پورت برای اجازه ورودی جریان DC تولید شده توسط آرایه های PV، یک پورت برای خروج ولتاژ AC و یک پورت ورودی دیگر برای سنسور سطح آب هستند.

اینورتر استرینگ

پنل های خورشیدی جریان مستقیم را با ولتاژی تولید می کنند که به طراحی ماژول و شرایط روشنایی بستگی دارد. ماژول‌های مدرن با استفاده از سلول‌های 6 اینچی معمولاً حاوی 60 سلول هستند و ولتاژ 24 الی 30 ولتی تولید می‌کنند. (بنابراین اینورترها برای دریافت 24 الی 50 ولت آمادگی دارند).

برای تبدیل برق به AC، پانل‌ها معمولا به صورت سری به هم متصل می‌شوند تا استرینگی تولید کنند که در واقع یک پانل بزرگ با ولتاژ اسمی 300 تا 600 VDC است که باید به ولتاژ AC استاندارد، معمولاً 230 VAC / 50 هرتز یا 240 VAC / 60 هرتز تبدیل شود.

مشکل اصلی استفاده اینورتر رشته ای این است که رشته پانل ها به گونه ای عمل می کنند که گویی یک پانل سراسری بزرگ با حداکثر میزان جریان معادل با ضعیف ترین پنل در کل مجموعه استرینگ است. این یعنی، اگر یک پنل خورشیدی در یک رشته به دلیل یک نقص ساختاری جزئی، 5٪ مقاومت بالاتری داشته باشد، کل رشته دچار افت عملکرد 5٪ می شود. این وضعیت دینامیک است و اگر یک پنل سایه دار باشد، خروجی آن به شدت کاهش می یابد و بر خروجی رشته تأثیر می گذارد، حتی اگر سایر پنل ها سایه نداشته باشند. حتی تغییرات جزئی در جهت و زاویه نصب می تواند بنابر این حالت باعث از دست رفتن خروجی شود. این اتفاق به عنوان “اثر چراغ‌های کریسمس” شناخته می‌شود، که گویی یک رشته چراغ‌ درخت کریسمس سری شده با از کار افتادن یک لامپ به طور کل از کار می‌افتند. با این حال، این اثر کاملاً دقیق نیست و تعامل پیچیده بین ردیابی نقطه حداکثر توان اینورترهای استرینگ مدرن و حتی دیودهای بای پس ماژول خورشیدی را نادیده می گیرد. مطالعات سایه توسط شرکت‌های بزرگ میکرواینورتر و بهینه‌ساز DC، تفاوت تولید سالانه ناچیزی را در شرایط سایه کم، متوسط ​​و سنگین – به ترتیب 2٪، 5٪ و 8٪ – نسبت به یک اینورتر رشته قدیمی نشان می‌دهد.

علاوه بر این، راندمان خروجی پنل خورشیدی به شدت تحت تأثیر باری است که اینورتر روی آن می گذارد. برای به حداکثر رساندن تولید، اینورترها از تکنیکی به نام ردیابی نقطه حداکثر توان استفاده می کنند تا با تنظیم بار اعمال شده، برداشت بهینه انرژی را تضمین کنند. با این حال، همان مسائلی که باعث می شود خروجی از یک پنل به پنل دیگر متفاوت باشد، این موضوع بر بار مناسبی که سیستم MPPT باید اعمال کند، تأثیر می گذارد. اگر یک پانل منفرد در نقطه دیگری کار کند، یک اینورتر رشته‌ای فقط می تواند تغییرات کلی را ببیند و نقطه MPPT را برای مطابقت با آن حرکت می دهد. این امر نه تنها منجر به تلفات در پانل سایه دار، بلکه در پانل های دیگر نیز می شود. افتادن سایه به اندازه 9 درصد از سطح یک آرایه در برخی شرایط می تواند قدرت سیستم را تا 54 درصد کاهش دهد. با این حال، همانطور که در بالا گفته شد، این تلفات سالانه نسبتاً کوچک هستند و فناوری‌های جدیدتر به برخی از اینورترهای رشته‌ای اجازه می‌دهند تا اثرات سایه‌زنی جزئی را به میزان قابل توجهی کاهش دهند.

مسئله دیگر، هرچند جزئی، این است که انتخاب اینورترهای رشته ای در توان خروجی مورد نظر معمولا دارای محدودیت است. این بدان معنی است که برای یک استرینگ 10 پنلی 2300 واتی ممکن است مجبور باشید از یک اینورتر 2500 یا حتی 3000 واتی استفاده کند، و برای توان خروجی مازادی که نمی توانید استفاده کنید، هزینه می پردازید. همین مسئله تغییر اندازه آرایه را در طول زمان دشوار می‌کند و تنها در صورت در دسترس بودن منابع، خروجی را می‌توان افزایش داد (قابلیت ماژولاریته). اگر مشتری در اصل یک اینورتر 2500 واتی برای پانل های 2300 واتی خود خریداری کرده باشد، نمی تواند حتی یک پنل را بدون فشار آوردن به اینورتر اضافه کند. با این حال، این گونه اضافه کردن تدریجی پنل امروزه در صنعت برق خورشیدی رایج شده است (گاهی اوقات تا 20٪ بیشتر نسبت به توان خروجی اینورتر) به دلیل تخریب ماژول، عملکرد بالاتر در طول زمستان و یا برای دستیابی به فروش بیشتر به شبکه.

سایر چالش های مرتبط با اینورترهای متمرکز شامل فضای مورد نیاز برای نصب دستگاه و همچنین الزامات دفع حرارت است. اینورترهای مرکزی بزرگ معمولاً به طور فعال نیاز به خنک سازی دارند. فن های خنک کننده صدا ایجاد می کنند، بنابراین مکان نصب اینورتر در نقاط دارای سکنه باید با لحاظ این موضوع در نظر گرفته شود. و از آنجایی که فن های خنک کننده دارای قطعات متحرک هستند، کثیفی، گرد و غبار و رطوبت می تواند در طول زمان بر عملکرد آنها تأثیر منفی بگذارد. اینورترهای رشته‌ای ساکت‌تر هستند، اما ممکن است در اواخر بعد از ظهر که قدرت اینورتر کم است، صدای زوزه مانندی تولید کنند.

میکرو اینورترهای خورشیدی

میکرو اینورتر خورشیدی اینورتری است که برای کار با یک عدد پنل خورشیدی طراحی شده است. میکرو اینورتر جریان مستقیم خروجی هر پنل را به جریان متناوب تبدیل می کند. طراحی آن امکان اتصال موازی چندین واحد مستقل را به صورت مدولار فراهم می کند.

مزایای میکرو اینورتر شامل بهینه سازی قدرت تک پنل، عملکرد مستقل هر پانل، نصب ساده، ایمنی در برابر آتش، به حداقل رساندن هزینه ها با طراحی بهینه سیستم و به حداقل رساندن فضای انبار کردن است.

بنابر مطالعه‌ای در سال 2011 در دانشگاه ایالتی آپالاچی، راه‌اندازی نیروگاه با میکرواینورترها در مقایسه با استرینگ‌های متصل به یک اینورتر، حدود 20 درصد توان تولیدی بیشتر در شرایط بدون سایه و 27 درصد توان بیشتر در شرایط سایه‌دار ارائه می‌کند. لازم به ذکر است در هر دو اجرا از پنل های خورشیدی یکسان استفاده شده است.

میکرواینورترها نسبت به اینورترهای معمولی مزایای متعددی دارند. مزیت اصلی آنها این است که پانل ها را به صورت الکتریکی از یکدیگر جدا می کنند، لذا مقدار کمی سایه، آلودگی و یا برف روی هر یک از ماژول های خورشیدی، یا حتی خرابی کامل پنل، خروجی کل آرایه را به طور چشمگیر کاهش نمی دهد. هر میکرواینورتر با انجام ردیابی نقطه حداکثر توان (MPPT) برای ماژول متصل خود، توان بهینه را از آن برداشت می کند. سادگی در طراحی سیستم، سیم‌های با آمپر کمتر، انبار کردن راحت تر و ایمنی بیشتر از دیگر مزایای میکرواینورترهاست.

معایب میکرواینورتر شامل هزینه اولیه بالاتر تجهیزات به ازای هر پیک وات نسبت به توان معادل یک اینورتر مرکزی است، زیرا هر اینورتر باید در مجاورت یک پانل (معمولاً روی سقف) نصب شود. این امر همچنین نگهداری آنها را دشوارتر و حذف و جایگزینی آنها را هزینه بر می کند. برخی از تولیدکنندگان این مسائل را با پنل خورشیدی مجهز به میکرواینورتر داخلی حل کرده اند. یک میکرواینورتر اغلب، طول عمر بیشتری نسبت به یک اینورتر مرکزی دارد که در طول عمر کارکرد پنل های خورشیدی احتمالا نیاز به تعویض شدن پیدا می‌کند. بنابراین، آنچه در ابتدا معضل مالی است، ممکن است در دراز مدت تبدیل به یک مزیت شود.

پنل‌های نیروگاه خورشیدی متصل به شبکه معمولاً بین 225 و 275 وات درجه‌بندی می‌شوند، اما در عمل به ندرت این توان را تولید می‌کنند، بنابراین میکرواینورترها معمولاً بین 190 و 220 وات (گاهی اوقات، 100 وات) درجه‌بندی می‌شوند. به دلیل عملکردشان در این نقطه توان پایین، به سادگی بسیاری از معضلات مربوط به طرح های بزرگتر از بین می روند. مثلا نیاز به یک ترانسفورماتور بزرگ به طور کلی حذف می شود، خازن های الکترولیتی بزرگ را می توان با خازن های لایه نازک مطمئن تر جایگزین کرد، و فشار روی خنک کننده ها کاهش می یابد و حتی شاید دیگر نیازی به فن نباشد و میانگین زمان بین خاموشی‌هایشان (MTBF)  هم صدها سال عنوان شده است.

میکرواینورتر متصل به یک پنل می‌تواند خروجی آن پنل را جداسازی و تنظیم کند. پنلی که عملکرد ضعیفی دارد هیچ تاثیری بر پنل های اطراف خود ندارد. در این حالت، آرایه به طور کلی تا 5 درصد بیشتر از یک اینورتر رشته ای توان تولید می کند. هنگام سایه، این دستاورد می تواند قابل توجه باشد، چرا که تولید کنندگان ادعا می کنند حداقل 5 ٪ تا 25٪ خروجی بهتر وجود خواهد داشت. علاوه بر این، یک مبدل واحد را می توان با طیف گسترده ای از پنل ها استفاده کرد، پنل های جدید را می توان در هر زمان به یک آرایه اضافه کرد، و لازم نیست که توانی مشابه با پنل های موجود را نیز داشته باشد.

میکرواینورترها برق متناوب منطبق با شبکه را مستقیماً در پشت هر پنل خورشیدی تولید می کنند. آرایه هایی از پنل ها به صورت موازی به یکدیگر به شبکه متصل می شوند. این امر یک مزیت مهم دارد و آن این که یک پنل یا اینورتر معیوب نمی تواند کل رشته را خاموش کند. به همراه بار توان و حرارت کمتر و MTBF بهبود یافته، برخی مطالعات نشان می‌دهند که اطمینان از عملکرد یک سیستم مبتنی بر میکرواینورتر به طور قابل‌توجهی بیشتر از سیستم مبتنی بر اینورتر رشته‌ای است. این ادعا با ضمانت‌های طولانی‌تر، معمولاً 15 تا 25 سال، در مقایسه با ضمانت‌های 5 یا 10 ساله ای که برای اینورترهای رشته‌ای معمولی‌تر هستند، تضمین می‌شود. علاوه بر این، هنگامی که خطا رخ می دهد، به راحتی در یک نقطه قابل شناسایی است، در مقابل بروز خطا و سختی شناسایی آن در یک استرینگ کامل. این امر نه تنها عیب‌یابی خطا را آسان‌تر می‌کند، بلکه مشکلات جزئی را که ممکن است اصلا قابل مشاهده نباشند، از بین می‌برد. مثلا در این حالت دیگر یک پنل واحد که عملکرد ضعیفی دارد آنقدر بر خروجی یک رشته طولانی تأثیر نمی‌گذارد که مورد توجه قرار گیرد.

بهینه ساز توان (power optimizer) نوعی فناوری شبیه به میکرواینورتر است که از قابلیت ردیابی نقطه حداکثر توان به ازای هر پانل بهره می برد، اما برق را به AC تبدیل نمی کند.

میکرو اینورترهای سه فاز

تبدیل کارآمد برق DC به AC مستلزم آن است که اینورتر زمانی که ولتاژ AC شبکه نزدیک به صفر است انرژی را از پنل ذخیره کند و سپس با افزایش آن دوباره آن را آزاد کند. این معقوله نیازمند ذخیره انرژی به مقدار قابل توجه در ابعادی کوچک است. کم‌هزینه‌ترین گزینه برای ذخیره‌سازی این مقدار مورد نیاز، خازن‌های الکترولیتی است، اما این خازن‌ها طول عمر نسبتاً کوتاهی دارند که معمولاً به سال اندازه‌گیری می‌شود، و این طول عمر زمانی که در مکانی داغ مانند پشت یک پنل خورشیدی روی بام کار می‌کنند، کوتاه‌تر هم است. این موضوع منجر به پیشرفت قابل توجه اقداماتی از سوی توسعه دهندگان میکرواینورتر شده است که انواع توپولوژی های تبدیل با نیاز به ذخیره سازی کمتر را معرفی کرده اند، مثلا امکان استفاده از خازن های لایه نازک بسیار ضعیفتر اما با طول عمر بیشتر.

در مدلهای میکرواینورتر معمولی که با برق تک فاز کار می‌کنند، انرژی پانل باید در دوره‌ای که ولتاژ از صفر عبور می‌کند ذخیره شود، که دو بار در هر سیکل (در فرکانس 50 یا 60 هرتز) صورت می‌گیرد. در یک سیستم سه فاز، در طول هر سیکل، یکی از سه سیم دارای ولتاژ مثبت (یا منفی) است، بنابراین می توان با انتقال خروجی پنل خورشیدی به سیم های مختلف در طول هر سیکل، نیاز به ذخیره سازی انرژی را تا حد زیادی کاهش داد. کاهش نیاز به ذخیره انرژی به طور قابل توجهی قیمت و پیچیدگی سخت افزار مبدل را کاهش می دهد و همچنین به طور بالقوه طول عمری که از آن مورد انتظار است را افزایش می دهد.

در مدار سه فاز، توان بین (مثلا) 120+ تا 120- ولت بین دو خط تغییر نمی کند، بلکه بین 60 تا 120+ یا 60- و 120- ولت متغیر است و دوره های تغییرات بسیار کوتاهتر است. اینورترهایی که برای کار بر روی سیستم‌های سه فاز طراحی شده‌اند، به ذخیره‌سازی بسیار کمتری نیاز دارند. یک میکرو سه فاز با استفاده از سوئیچینگ ولتاژ صفر همچنین می تواند فشردگی مداری بیشتر و هزینه قطعات کمتری را برآورده سازد و این در حالی است که راندمان تبدیل را به بیش از 98% بهبود می بخشد، حتی بهتر از پیک معمولی تک فاز که در حدود 96٪ است.

با این حال، سیستم های سه فاز معمولاً فقط در محیط های صنعتی و تجاری دیده می شوند. در این بازارها معمولاً آرایه‌های بزرگ‌تری نصب می‌کنند، و جایی است که حساسیت روی قیمت‌ها بسیار بالا است. جذابیت میکرو سه فاز، با وجود مزیت‌های نظری، به لحاظ هزینه‌ای بسیار کم است.