1. Типи інверторів

Інвертори для систем сонячної генерації діляться на три великі табори, від чого напряму залежать задачі, що покладаються на них.

Мережеві (on-grid)

Моделі типу on-grid працюють синхронно із централізованою мережею електропостачання. Говорячи простими словами, вони перетворять сонячну енергію на змінний струм з параметрами загальної мережі. Вироблену електрику можна використовувати всередині будинку для живлення побутових приладів, а її надлишки допускається передавати в централізовану мережу за «зеленим тарифом» (це має підтримуватись самим інвертором, до того ж знадобиться придбати двонаправлений електролічильник). Якщо вироблення електрики від сонячних батарей не покриває потреби домогосподарства, частина енергії береться із загальної мережі.

Мережеві інвертори також називають безакумуляторними — справа в тому, що системи сонячної генерації на їх основі не мають батарейного буфера. Тобто. вони здатні зберігати надлишки енергії, вироблені у періоди високої продуктивності. Перед моделями мережевого типу on-grid ставиться інша пріоритетна задача – економічна вигода від використання сонячних панелей. За умови регулярного продажу надлишків виробленої електроенергії у загальну мережу сонячна система швидко окупається та дає змогу значно скоротити плату за користування електрикою.

Наочна схема принципу роботи мережевого сонячного інвертора.

Зворотний бік медалі мережевих інверторів — жорстка прив'язка до загальної електромережі та її параметрів. При відхиленні штатних характеристик від норми, відключеннях світла або перебоях з централізованим енергопостачанням сонячна генерація просто припиняється. Для автономного забезпечення житла електроенергією від сонця моделі типу on-grid не годяться.

Плюси мережевих інверторів:

  • Високий ККД (98% – це норма), оскільки мережеві інвертори не витрачають зайву енергію на взаємодію із умовним батарейним буфером.
  • Висока «чистота» електрики, що виробляється.
  • Ефективне використання енергії від сонячних панелей
  • Економічна вигода.

Мінуси мережевих інверторів:

  • Жорстка прив'язка до централізованої електромережі.
  • Відсутність автономності та можливості резервування.
  • Залежність від параметрів спільної мережі (нестабільна напруга чи збої можуть вплинути на роботу інвертора).
Популярні мережеві інвертори (on-grid)

Автономні (off-grid)

Автономні інвертори типу off-grid не потрібно підключати до загальної електромережі – вони перетворять сонячну енергію виключно на потреби домогосподарства. Вироблена електрика може споживатися побутовими приладами та паралельно накопичуватися в акумуляторних буферах про запас. Повна незалежність від мережевої електроенергії доречна при частих перебоях зі світлом, віялових відключеннях і блекаутах.

Отже, інвертори off-grid працюють у замкненій внутрішній енергосистемі. При надлишку генерації надлишки накопичуються в акумуляторних батареях, а використовувати їх передбачається у похмуру погоду та темний час доби. Збірки АКБ для накопичення енергії доведеться докуповувати окремо – інвертор підключається до них напряму через відповідні клеми.

Автономні інвертори off-grid працюють у замкнутих (внутрішніх) електромережах.

Простими словами принцип роботи автономного інвертора можна пояснити так. Припустимо, сонячні панелі генерують 1000 Вт потужності, а для живлення умовного навантаження необхідно 500 Вт потужності – інвертор забезпечить передачу половини вироблення електрики на підключених споживачів, а частину, що залишиться, відправить на зарядку акумуляторних батарей. Якщо знадобиться живити навантаження потужністю 1500 Вт, вся генерація буде передана на навантаження і ще 500 Вт буде взято з акумуляторного буфера. Так само можна «лавірувати» й у періоди зниження активності сонця.

Плюси автономних інверторів:

  • Повна незалежність від централізованої електромережі.
  • Можливість накопичення енергії.
  • Гнучкість розподілу навантаження.

Мінуси автономних інверторів:

  • Залежність від погодних умов.
  • Обмежена потужність.
  • Необхідно окремо купувати акумуляторний буфер.
  • Складність встановлення та налаштування.
Популярні автономні інвертори (off-grid)

Гібридні (hybrid)

Найкращу гнучкість роботи забезпечують гібридні інвертори hybrid. Вони є своєрідною комбінацією мережевих та автономних моделей. Тобто. не тільки перетворять постійний струм на змінний, а також можуть накопичувати надлишки електроенергії в батарейному буфері і мають здатність віддавати електроенергію в централізовану мережу за «зеленим тарифом». Головне ж – це найтонше налаштування співвідношення споживання. На цьому моменті важливо зупинитись детальніше.

Гібридні інвертори найкраще придатні для грамотного автоматичного розподілу енергії. Наприклад, при дефіциті вироблення електрики від сонячних панелей такий перетворювач бере недостатню потужність від АКБ або «підмішує» з централізованої мережі — все це гнучко конфігурується в налаштуваннях (за підтримки відповідних функцій). Стадію постачання від АКБ можна взагалі пропустити, зберігаючи таким чином накопичені резерви. Надлишки вироблення інвертор відправляє на зарядку батарейного буфера або передає у загальну мережу – за обраними пріоритетами.

Найбільш прогресивними є гібридні сонячні інвертори, які можуть підключатися до зовнішньої електромережі та батарейного буфера.

Прогресивні моделі «гібридів» часто оснащуються окремим входом для підключення генератора. Інвертор може автоматично вмикати та вимикати генератор при дефіциті вироблення електрики або для підтримки оптимального рівня заряду АКБ, щоб система знаходилася в повній готовності у будь-який час. Знову ж таки, всі ці процедури можна повністю автоматизувати – причому нерідко через мобільні додатки або зручний веб-інтерфейс.

Плюси гібридних інверторів:

  • Можливість роботи як з автономними, так і мережевими системами.
  • Гнучкість розподілу енергії.
  • Ефективне використання надлишкового вироблення сонячної енергії.
  • Можливість накопичення енергії.
  • Варіативність управління.

Мінуси гібридних інверторів:

  • Висока ціна.
  • Складність встановлення та налаштування.
Популярні гібридні інвертори (hybrid)

2. Робоча напруга, потужність та ККД

Важливим аспектом при виборі інвертора для систем сонячної генерації є «вилка» допустимих напруг PV (масиву панелей). Робочий діапазон перетворювача знаходиться між точками напруги старту та максимальної напруги. Якщо на вхід перетворювача надходить менша напруга — він просто не запуститься, більша — загрожує швидким перегріванням інвертора і виходом з ладу. Максимально допустима напруга в ланцюзі розраховується для граничної температури сонячної батареї -25 °С, адже вольтаж зростає саме при падінні температури панелі і перевищувати його не рекомендується. Мінімальний поріг – рахується для граничної температури панелей +70 °С. Обидва отримані значення визначають структуру підключення сонячних батарей у стрінг, їх допустиму кількість та спосіб з'єднання (послідовний, паралельний, паралельно-послідовний). Щоб не вираховувати параметри за спеціальними формулами, вони нерідко наводяться в характеристиках конкретних інверторів (мін. напруга PV та макс. напруга PV).

Для вибору інвертора за мінімальним і максимальним порогом напруг масиву сонячних панелей (PV)
існують спеціальні пошукові фільтри.

Вихідна потужність – основна характеристика будь-якого інвертора. Номінальна потужність вказується з розрахунку сумарного енергоспоживання всього передбаченого до підключення навантаження. Приблизно оцінити його можна за паспортами електроприладів або спеціалізованими таблицями потужностей. А щоб інвертор не відчував перевантажень, понад потужність, що вийшла, бажано накинути хоча б 10-20% запасу.

Приблизне споживання електроенергії різною технікою
Електроінструмент Побутові прилади
Споживач Потужність, Вт Споживач Потужність, Вт
Електролобзик 250-700 Електролампи 5-50
Електроточило 300-1100 Телевізор 100-400
Дриль 400-800 Холодильник 150-600
Електрорубанок 400-1000 Комп'ютер 400-750
Перфоратор 600-1400 Пилосос 1000-2000
Шліфувальна машина 650-2200 Фен для волосся 450-2000
Дискова пила 750-1600 Праска 1000-2000
Насос високого тиску 2000-2900 Тостер 500-1000
Електроприлади Кавоварка 800-1500
Споживач Потужність, Вт Духовка 2000-3500
Водяний насос 500-900 Електрочайник 2000
Електромотори 550-3000 Обігрівач 1000-2000
Тепловентилятор 750-1700 Електроплита 1100-6000
Компресор 750-2800 Бойлер 1500-2000
Кондиціонер 1000-3000 Мікрохвильова піч 700-1000
Циркулярна пила 18000-2100 Пральна машина 1000-2500


Крім того, варто приділити увагу піковій потужності, яка набагато більша за номінальну. Справа в тому, що деякі електроприлади на кшталт холодильників, кондиціонерів або свердловинних насосів у перші кілька секунд при запуску споживають набагато більше ампер, ніж коли працюють у штатному режимі. Інвертор повинен спокійно витримувати такі підвищені струми. Зазвичай номінальна та пікова потужність вказуються в характеристиках перетворювача.

Потужність інвертора за постійним DC-струмом залежить від характеристик масиву сонячних панелей і коливається в межах від 80 до 120% відносно номінальної вихідної потужності. Справа в тому, що зазвичай рекомендується трохи «перевантажувати» інвертор на стороні постійного струму, оскільки потужність сонячних батарей задається для умов STC (стандартних тестових умов, що відображають роботу сонячної панелі в ідеалі), які рідко досягаються на практиці. Переважну більшість часу сонячні панелі працюють на 80-90% від закладеної потужності, а протягом експлуатації їх фотоелементи деградують, що також призводить до просідання потужності. Для умовної моделі на 5 кВт оптимальне значення сумарної потужності сонячних батарей перебуватиме в діапазоні від 4 до 6 кВт (80% від 5 кВт та 120% від тих самих 5 кВт). На підставі отриманого діапазону можна надалі розрахувати за спеціальними формулами кількість панелей у сонячній системі.

Що ж до коефіцієнта корисної дії, бажано віддавати перевагу моделям з ККД близько 90-95% і більше. У результаті перетворення і передачі струму від сонячних панелей частина енергії неминуче втрачається, а ще частинка використовується для потреб інвертора (наприклад, забезпечення роботи його системи охолодження). Втрати понад 10% – недозволена розкіш для систем сонячної генерації, де на рахунку перебуває кожен ват.

Популярні інвертори з ККД ≥ 98%

3. Геометрія вихідного сигналу

Сонячні інвертори видають напругу різної форми: прямокутної, квазісинусоїдальної та чистої синусоїди.

На першому графіку зображено напругу прямокутної форми, на другому – квазісинусоїдальної,
на третьому – чиста синусоїда.

Перший варіант зустрічається вкрай рідко і зовсім не годиться для живлення індуктивних навантажень (холодильника, кондиціонера, електроінструменту тощо). Трохи краще себе проявляють моделі з формою сигналу у вигляді квазі-синусу – це певна проміжна ланка. Для чутливих навантажень підходить з певною натяжкою, однак і обходиться набагато дешевше, ніж у випадку інверторів з чистою синусоїдою. Плавна хвиля на графіці – ознака напруги правильної синусоїдальної форми. Вона сумісна з усіма побутовими електроприладами, характеризується стійкістю до навантажень та підходить для енергопостачання делікатної техніки.

Популярні інвертори для сонячних панелей із чистою синусоїдою

4. Функціональність

Якщо вхідна потужність перевищує можливості приладу або потрібно наростити загальну ефективність системи сонячної генерації, стане в нагоді функція паралельного підключення двох і більше інверторів. Паралельно з'єднані перетворювачі синхронізуються між собою через стандартні протоколи зв'язку (наприклад Modbus або CAN). Інтерфейсами для сполучення служать роз'єми RS232, RS485, LAN (RJ-45). Інвертори у такому разі працюють спільно, генеруючи електроенергію з однаковою частотою і синхронізованістю по фазі.

Паралельне підключення інверторів дає змогу не тільки збільшити загальну потужність вироблення електрики, а й оптимізувати продуктивність роботи сонячних батарей. Подібна схема забезпечує можливість з'єднувати панелі різної орієнтації та кутів без зниження загальної ефективності системи. У випадку з одним інвертором для цих же цілей послужить MPPT-контролер, що оптимізує вироблення електроенергії за будь-яких змін метеоумов. Він визначає найбільш оптимальне співвідношення напруги та струму, що знімаються з сонячних батарей, тим самим забезпечуючи максимальну продуктивність окремих ланцюжків послідовно з'єднаних панелей (стрінгів). У деякі схеми вводяться кілька MPPT-контролерів – їх кожен вихід розрахований на підключення одного стрінга.

Багато прогресивних інверторів підтримують віддалене управління зі смартфона через Bluetooth або Wi-Fi.

Інші інтерфейси на борту інверторів можуть бути представлені класичним USB для конфігурування обладнання з ПК, модулями зв'язку Wi-Fi або Bluetooth. Бездротове підключення послужить для управління роботою пристрою зі сполученого смартфона або планшета. У мобільному додатку або веб-інтерфейсі зазвичай доступні гнучкі налаштування контролю та моніторингу енергоспоживання.

Автономні та гібридні інвертори нерідко мають функцію ДБЖ – при недостатній сонячній генерації або відключенні живлення від централізованої електромережі такі моделі автоматично переходять в режим автономної роботи від акумуляторних батарей. Тим самим забезпечується автоматичне резервування підключеного навантаження.

Популярні інвертори з функцією ДБЖ

5. Особливості експлуатації

Важлива увага в інверторах приділяється відведенню тепла від внутрішніх компонентів. Для малопотужних моделей буде достатньо системи пасивного охолодження, а якщо інвертор потужний і часто навантажується на повну котушку – варто придивитися до моделей з кулером.

При вуличному розміщенні або експлуатації в умовах підвищеної вологості варто враховувати захист корпусу інвертора від вологи IP65 і вище. А при встановленні сонячного перетворювача всередині житлових приміщень ще й рівень шуму. Джерелом шумності може бути вищезгаданий вентилятор для обдування внутрішніх компонентів, до того ж дуже гучно працюють дешеві китайські інвертори.

Зрештою, дуже важливо правильно підключити інвертор до побутової мережі і не потрібно перевищувати параметри пікового навантаження. Сучасні моделі хоч і забезпечені захистом від перевантажень, перепадів напруги та замикання, навантажувати їх надміру все ж таки не рекомендується.

Популярні інвертори з активною системою охолодження

6. Висновок

Резюмуючи сказане, для синхронної роботи з централізованою електромережею та продажу надлишків вироблення електрики за «зеленим тарифом» чудово згодяться мережеві інвертори. Робота в замкнутому контурі енергопостачання із накопиченням електрики в батарейних буферах – прерогатива автономних інверторів. А максимум гнучкості дають гібридні інвертори, що функціонують як в автономній, так і в центральній мережі.