اینورتر خورشیدی چیست؟

همزمان با پیشروی جهان در مسیر دستیابی به راه‌حل‌های انرژی پایدار و پاک، انرژی خورشیدی به عنوان پیشتاز در رقابت برای آینده‌ای سبزتر ظهور کرده است. سیستم‌های فتوولتائیک خورشیدی (PV) با مهار انرژی فراوان و تجدیدپذیر خورشید، محبوبیت گسترده‌ای کسب کرده‌اند و راه را برای تحولی چشمگیر در نحوه تولید برق هموار می‌کنند. در قلب هر سیستم فتوولتائیک خورشیدی، یک جزء حیاتی نهفته است که تبدیل نور خورشید به انرژی قابل استفاده را امکان‌پذیر می‌سازد:اینورتر خورشیدیاینورترهای خورشیدی به عنوان پلی بین پنل‌های خورشیدی و شبکه برق عمل می‌کنند و نقش حیاتی در استفاده کارآمد از انرژی خورشیدی دارند. درک اصول کار آنها و بررسی انواع مختلف آنها، کلید درک مکانیک جذاب پشت تبدیل انرژی خورشیدی است. Hآیا الفSاولارIاینورترWاورک? اینورتر خورشیدی یک دستگاه الکترونیکی است که برق جریان مستقیم (DC) تولید شده توسط پنل‌های خورشیدی را به برق جریان متناوب (AC) تبدیل می‌کند که می‌تواند برای تأمین انرژی لوازم خانگی و تغذیه شبکه برق مورد استفاده قرار گیرد. اصل کار یک اینورتر خورشیدی را می‌توان به سه مرحله اصلی تقسیم کرد: تبدیل، کنترل و خروجی. تبدیل: اینورتر خورشیدی ابتدا برق DC تولید شده توسط پنل‌های خورشیدی را دریافت می‌کند. این برق DC معمولاً به شکل ولتاژ نوسانی است که با شدت نور خورشید تغییر می‌کند. وظیفه اصلی اینورتر تبدیل این ولتاژ DC متغیر به یک ولتاژ AC پایدار و مناسب برای مصرف است. فرآیند تبدیل شامل دو جزء کلیدی است: مجموعه‌ای از سوئیچ‌های الکترونیک قدرت (معمولاً ترانزیستورهای دوقطبی با گیت عایق یا IGBT) و یک ترانسفورماتور فرکانس بالا. سوئیچ‌ها مسئول روشن و خاموش کردن سریع ولتاژ DC و ایجاد یک سیگنال پالس فرکانس بالا هستند. سپس ترانسفورماتور ولتاژ را به سطح ولتاژ AC مورد نظر افزایش می‌دهد. کنترل: مرحله کنترل یک اینورتر خورشیدی تضمین می‌کند که فرآیند تبدیل به طور کارآمد و ایمن عمل می‌کند. این مرحله شامل استفاده از الگوریتم‌های کنترلی پیچیده و حسگرها برای نظارت و تنظیم پارامترهای مختلف است. برخی از عملکردهای مهم کنترل عبارتند از: الف) ردیابی نقطه حداکثر توان (MPPT): پنل‌های خورشیدی یک نقطه کار بهینه به نام نقطه حداکثر توان (MPP) دارند، که در آن حداکثر توان را برای شدت نور خورشید مشخص تولید می‌کنند. الگوریتم MPPT با ردیابی MPP، به طور مداوم نقطه کار پنل‌های خورشیدی را برای به حداکثر رساندن توان خروجی تنظیم می‌کند. ب. تنظیم ولتاژ و فرکانس: سیستم کنترل اینورتر، ولتاژ و فرکانس خروجی AC پایدار را حفظ می‌کند، که معمولاً از استانداردهای شبکه برق پیروی می‌کند. این امر سازگاری با سایر دستگاه‌های الکتریکی را تضمین می‌کند و امکان ادغام یکپارچه با شبکه را فراهم می‌کند. ج. همگام‌سازی شبکه: اینورترهای خورشیدی متصل به شبکه، فاز و فرکانس خروجی AC را با شبکه برق هماهنگ می‌کنند. این همگام‌سازی، اینورتر را قادر می‌سازد تا در صورت ناکافی بودن تولید انرژی خورشیدی، توان اضافی را به شبکه بازگرداند یا از شبکه برق دریافت کند. خروجی: در مرحله آخر، اینورتر خورشیدی، برق AC تبدیل شده را به بارهای الکتریکی یا شبکه برق تحویل می‌دهد. خروجی را می‌توان به دو روش استفاده کرد: الف) سیستم‌های متصل به شبکه یا متصل به شبکه: در سیستم‌های متصل به شبکه، اینورتر خورشیدی برق AC را مستقیماً به شبکه برق شهری تغذیه می‌کند. این امر وابستگی به نیروگاه‌های مبتنی بر سوخت فسیلی را کاهش می‌دهد و امکان اندازه‌گیری خالص را فراهم می‌کند، که در آن برق اضافی تولید شده در طول روز می‌تواند در دوره‌های کم تولید خورشیدی محاسبه و استفاده شود. ب. سیستم‌های مستقل از شبکه: در سیستم‌های مستقل از شبکه، اینورتر خورشیدی علاوه بر تأمین برق بارهای الکتریکی، یک بانک باتری را نیز شارژ می‌کند. باتری‌ها انرژی خورشیدی اضافی را ذخیره می‌کنند که می‌توان از آن در زمان‌های کم بودن تولید انرژی خورشیدی یا در شب که پنل‌های خورشیدی برق تولید نمی‌کنند، استفاده کرد. ویژگی‌های اینورترهای خورشیدی: کارایی: اینورترهای خورشیدی به گونه‌ای طراحی شده‌اند که با راندمان بالا کار کنند تا بازده انرژی سیستم فتوولتائیک خورشیدی را به حداکثر برسانند. راندمان بالاتر منجر به اتلاف انرژی کمتر در طول فرآیند تبدیل می‌شود و تضمین می‌کند که بخش بیشتری از انرژی خورشیدی به طور مؤثر مورد استفاده قرار گیرد. توان خروجی: اینورترهای خورشیدی در توان‌های مختلف، از سیستم‌های مسکونی کوچک گرفته تا تأسیسات تجاری بزرگ، موجود هستند. توان خروجی یک اینورتر باید به طور مناسب با ظرفیت پنل‌های خورشیدی مطابقت داشته باشد تا به عملکرد بهینه دست یابد. دوام و قابلیت اطمینان: اینورترهای خورشیدی در معرض شرایط محیطی مختلف، از جمله نوسانات دما، رطوبت و نوسانات الکتریکی بالقوه قرار دارند. بنابراین، اینورترها باید با مواد مقاوم ساخته شده و برای مقاومت در برابر این شرایط طراحی شوند تا قابلیت اطمینان طولانی مدت را تضمین کنند. نظارت و ارتباطات: بسیاری از اینورترهای خورشیدی مدرن مجهز به سیستم‌های نظارتی هستند که به کاربران امکان می‌دهد عملکرد سیستم فتوولتائیک خورشیدی خود را پیگیری کنند. برخی از اینورترها همچنین می‌توانند با دستگاه‌های خارجی و پلتفرم‌های نرم‌افزاری ارتباط برقرار کنند و داده‌های بلادرنگ را ارائه دهند و امکان نظارت و کنترل از راه دور را فراهم کنند. ویژگی‌های ایمنی: اینورترهای خورشیدی دارای ویژگی‌های ایمنی مختلفی برای محافظت از سیستم و افرادی که با آن کار می‌کنند، هستند. این ویژگی‌ها شامل حفاظت در برابر اضافه ولتاژ، حفاظت در برابر اضافه جریان، تشخیص خطای زمین و حفاظت ضد جزیره‌ای شدن است که از تغذیه برق توسط اینورتر به شبکه در هنگام قطع برق جلوگیری می‌کند. طبقه بندی اینورتر خورشیدی بر اساس توان نامی اینورترهای PV که به عنوان اینورترهای خورشیدی نیز شناخته می‌شوند، می‌توانند بر اساس طراحی، عملکرد و کاربردشان به انواع مختلفی طبقه‌بندی شوند. درک این طبقه‌بندی‌ها می‌تواند به انتخاب مناسب‌ترین اینورتر برای یک سیستم PV خورشیدی خاص کمک کند. در زیر انواع اصلی اینورترهای PV که بر اساس سطح توان طبقه‌بندی شده‌اند، آمده است: اینورتر بر اساس سطح توان: عمدتاً به اینورتر توزیع‌شده (اینورتر رشته‌ای و میکرواینورتر)، اینورتر متمرکز تقسیم می‌شود. معکوس کردن رشتهکاربران: اینورترهای رشته‌ای رایج‌ترین نوع اینورترهای PV در تاسیسات خورشیدی مسکونی و تجاری هستند، آنها برای مدیریت چندین پنل خورشیدی متصل به صورت سری و تشکیل یک "رشته" طراحی شده‌اند. رشته PV (1-5kw) امروزه به محبوب‌ترین اینورتر در بازار بین‌المللی تبدیل شده است، زیرا اینورتری با ردیابی حداکثر پیک توان در سمت DC و اتصال موازی به شبکه در سمت AC است. برق DC تولید شده توسط پنل‌های خورشیدی به اینورتر رشته‌ای تغذیه می‌شود که آن را به برق AC برای استفاده فوری یا ارسال به شبکه تبدیل می‌کند. اینورترهای رشته‌ای به دلیل سادگی، مقرون به صرفه بودن و سهولت نصب شناخته شده‌اند. با این حال، عملکرد کل رشته به پنلی که کمترین عملکرد را دارد بستگی دارد که می‌تواند بر راندمان کلی سیستم تأثیر بگذارد. میکرو اینورترها: میکرواینورترها، اینورترهای کوچکی هستند که روی هر پنل خورشیدی جداگانه در یک سیستم فتوولتائیک نصب می‌شوند. برخلاف اینورترهای رشته‌ای، میکرواینورترها برق DC را درست در سطح پنل به AC تبدیل می‌کنند. این طراحی به هر پنل اجازه می‌دهد تا به طور مستقل کار کند و خروجی کلی انرژی سیستم را بهینه سازد. میکرواینورترها مزایای متعددی از جمله ردیابی نقطه حداکثر توان (MPPT) در سطح پنل، بهبود عملکرد سیستم در پنل‌های سایه‌دار یا ناهماهنگ، افزایش ایمنی به دلیل ولتاژهای DC پایین‌تر و نظارت دقیق بر عملکرد تک تک پنل‌ها را ارائه می‌دهند. با این حال، هزینه اولیه بالاتر و پیچیدگی بالقوه نصب، عواملی هستند که باید در نظر گرفته شوند. اینورترهای متمرکز: اینورترهای متمرکز، که به عنوان اینورترهای بزرگ یا در مقیاس بزرگ (>10 کیلووات) نیز شناخته می‌شوند، معمولاً در تأسیسات فتوولتائیک خورشیدی در مقیاس بزرگ، مانند مزارع خورشیدی یا پروژه‌های خورشیدی تجاری استفاده می‌شوند. این اینورترها برای مدیریت ورودی‌های برق DC بالا از چندین رشته یا آرایه پنل‌های خورشیدی و تبدیل آنها به برق AC برای اتصال به شبکه طراحی شده‌اند. بزرگترین ویژگی، توان بالا و هزینه پایین سیستم است، اما از آنجایی که ولتاژ و جریان خروجی رشته‌های مختلف PV اغلب دقیقاً با هم مطابقت ندارند (به خصوص هنگامی که رشته‌های PV به دلیل ابری بودن، سایه، لکه‌ها و غیره تا حدی سایه دارند)، استفاده از اینورتر متمرکز منجر به کاهش راندمان فرآیند معکوس‌سازی و کاهش انرژی الکتریکی خانگی خواهد شد. اینورترهای متمرکز معمولاً در مقایسه با انواع دیگر، ظرفیت توان بالاتری دارند، از چند کیلووات تا چند مگاوات. آنها در یک مکان مرکزی یا ایستگاه اینورتر نصب می‌شوند و چندین رشته یا آرایه از پنل‌های خورشیدی به صورت موازی به آنها متصل می‌شوند. اینورتر خورشیدی چه کاری انجام می‌دهد؟ اینورترهای فتوولتائیک عملکردهای متعددی از جمله تبدیل AC، بهینه‌سازی عملکرد سلول‌های خورشیدی و حفاظت از سیستم را ارائه می‌دهند. این عملکردها شامل عملکرد و خاموش شدن خودکار، کنترل ردیابی حداکثر توان، ضد جزیره‌ای شدن (برای سیستم‌های متصل به شبکه)، تنظیم خودکار ولتاژ (برای سیستم‌های متصل به شبکه)، تشخیص جریان مستقیم (برای سیستم‌های متصل به شبکه) و تشخیص زمین جریان مستقیم (برای سیستم‌های متصل به شبکه) می‌شود. بیایید به طور خلاصه عملکرد عملکرد و خاموش شدن خودکار و عملکرد کنترل ردیابی حداکثر توان را بررسی کنیم. ۱) عملکرد خودکار و خاموش شدن خودکار پس از طلوع آفتاب در صبح، شدت تابش خورشید به تدریج افزایش می‌یابد و خروجی سلول‌های خورشیدی نیز به تبع آن افزایش می‌یابد. هنگامی که توان خروجی مورد نیاز اینورتر حاصل شود، اینورتر به طور خودکار شروع به کار می‌کند. پس از ورود به حالت عملیاتی، اینورتر همواره خروجی اجزای سلول خورشیدی را رصد می‌کند، تا زمانی که توان خروجی اجزای سلول خورشیدی بیشتر از توان خروجی مورد نیاز اینورتر باشد، اینورتر به کار خود ادامه می‌دهد. تا زمانی که غروب خورشید متوقف شود، حتی اگر هوا بارانی باشد، اینورتر نیز کار می‌کند. هنگامی که خروجی ماژول سلول خورشیدی کوچکتر می‌شود و خروجی اینورتر نزدیک به 0 می‌شود، اینورتر در حالت آماده به کار قرار می‌گیرد. ۲) تابع کنترل ردیابی حداکثر توان خروجی ماژول سلول خورشیدی با شدت تابش خورشید و دمای خود ماژول سلول خورشیدی (دمای تراشه) تغییر می‌کند. علاوه بر این، از آنجا که ماژول سلول خورشیدی دارای این ویژگی است که ولتاژ با افزایش جریان کاهش می‌یابد، بنابراین یک نقطه کار بهینه وجود دارد که می‌تواند حداکثر توان را به دست آورد. شدت تابش خورشید در حال تغییر است، بدیهی است که بهترین نقطه کار نیز در حال تغییر است. نسبت به این تغییرات، نقطه کار ماژول سلول خورشیدی همیشه در نقطه حداکثر توان است و سیستم همیشه حداکثر توان خروجی را از ماژول سلول خورشیدی به دست می‌آورد. این نوع کنترل، کنترل ردیابی حداکثر توان است. بزرگترین ویژگی اینورتر مورد استفاده در سیستم تولید انرژی خورشیدی، عملکرد ردیابی نقطه حداکثر توان (MPPT) است. شاخص‌های فنی اصلی اینورتر فتوولتائیک ۱. پایداری ولتاژ خروجی در سیستم فتوولتائیک، انرژی الکتریکی تولید شده توسط سلول خورشیدی ابتدا توسط باتری ذخیره می‌شود و سپس از طریق اینورتر به جریان متناوب ۲۲۰ ولت یا ۳۸۰ ولت تبدیل می‌شود. با این حال، باتری تحت تأثیر شارژ و دشارژ خود قرار می‌گیرد و ولتاژ خروجی آن در محدوده وسیعی تغییر می‌کند. به عنوان مثال، باتری ۱۲ ولتی اسمی دارای مقدار ولتاژی است که می‌تواند بین ۱۰.۸ تا ۱۴.۴ ولت متغیر باشد (فراتر از این محدوده ممکن است به باتری آسیب برساند). برای یک اینورتر واجد شرایط، هنگامی که ولتاژ ترمینال ورودی در این محدوده تغییر می‌کند، تغییر ولتاژ خروجی حالت پایدار آن نباید از Plusmn؛ ۵٪ از مقدار نامی، تجاوز کند. در عین حال، هنگامی که بار به طور ناگهانی تغییر می‌کند، انحراف ولتاژ خروجی آن نباید از ±۱۰٪ از مقدار نامی تجاوز کند. ۲. اعوجاج شکل موج ولتاژ خروجی برای اینورترهای موج سینوسی، حداکثر اعوجاج مجاز شکل موج (یا محتوای هارمونیک) باید مشخص شود. این مقدار معمولاً با کل اعوجاج شکل موج ولتاژ خروجی بیان می‌شود و مقدار آن نباید از 5٪ تجاوز کند (برای خروجی تک فاز 10٪ مجاز است). از آنجایی که جریان هارمونیک مرتبه بالای خروجی اینورتر باعث ایجاد تلفات اضافی مانند جریان‌های گردابی در بار القایی می‌شود، اگر اعوجاج شکل موج اینورتر خیلی زیاد باشد، باعث گرم شدن شدید اجزای بار می‌شود که برای ایمنی تجهیزات الکتریکی مفید نیست و به طور جدی بر راندمان عملیاتی سیستم تأثیر می‌گذارد. ۳. فرکانس خروجی نامی برای بارهایی شامل موتور، مانند ماشین لباسشویی، یخچال و غیره، از آنجایی که نقطه کار فرکانس بهینه موتورها ۵۰ هرتز است، فرکانس‌های خیلی بالا یا خیلی پایین باعث گرم شدن تجهیزات و کاهش راندمان عملیاتی و عمر مفید سیستم می‌شوند، بنابراین فرکانس خروجی اینورتر باید مقداری نسبتاً پایدار، معمولاً فرکانس برق ۵۰ هرتز، باشد و انحراف آن باید در شرایط کاری عادی در محدوده پلاسمیک ۱٪ باشد. ۴. ضریب توان بار توانایی اینورتر را با بار القایی یا بار خازنی مشخص کنید. ضریب توان بار اینورتر موج سینوسی 0.7 تا 0.9 و مقدار نامی آن 0.9 است. در مورد توان بار مشخص، اگر ضریب توان اینورتر کم باشد، ظرفیت اینورتر مورد نیاز افزایش می‌یابد. از یک طرف، هزینه افزایش می‌یابد و در عین حال، توان ظاهری مدار AC سیستم فتوولتائیک نیز افزایش می‌یابد. با افزایش جریان، تلفات به ناچار افزایش می‌یابد و راندمان سیستم نیز کاهش می‌یابد. ۵. راندمان اینورتر راندمان اینورتر به نسبت توان خروجی آن به توان ورودی در شرایط کاری مشخص اشاره دارد که به صورت درصد بیان می‌شود. به طور کلی، راندمان اسمی یک اینورتر فتوولتائیک به یک بار مقاومتی خالص اشاره دارد. تحت شرایط راندمان 80٪ بار. از آنجایی که هزینه کلی سیستم فتوولتائیک بالا است، راندمان اینورتر فتوولتائیک باید به حداکثر برسد تا هزینه سیستم کاهش یابد و عملکرد هزینه سیستم فتوولتائیک بهبود یابد. در حال حاضر، راندمان اسمی اینورترهای رایج بین 80٪ تا 95٪ است و راندمان اینورترهای کم مصرف نباید کمتر از 85٪ باشد. در فرآیند طراحی واقعی یک سیستم فتوولتائیک، نه تنها باید یک اینورتر با راندمان بالا انتخاب شود، بلکه باید از یک پیکربندی منطقی از سیستم نیز استفاده شود تا بار سیستم فتوولتائیک تا حد امکان نزدیک به بهترین نقطه راندمان کار کند. ۶. جریان خروجی نامی (یا ظرفیت خروجی نامی) جریان خروجی نامی اینورتر را در محدوده ضریب توان بار مشخص شده نشان می‌دهد. برخی از محصولات اینورتر، ظرفیت خروجی نامی را ارائه می‌دهند و واحد آن بر حسب ولت آمپر یا کیلو ولت آمپر بیان می‌شود. ظرفیت نامی اینورتر، حاصلضرب ولتاژ خروجی نامی و جریان خروجی نامی است، زمانی که ضریب توان خروجی ۱ است (یعنی بار صرفاً مقاومتی). ۷. اقدامات حفاظتی یک اینورتر با عملکرد عالی همچنین باید دارای توابع یا اقدامات حفاظتی کاملی برای مقابله با موقعیت‌های غیرعادی مختلفی باشد که در حین استفاده واقعی رخ می‌دهند، تا خود اینورتر و سایر اجزای سیستم را از آسیب محافظت کند. ۱) حساب بیمه افت ولتاژ را وارد کنید: وقتی ولتاژ ترمینال ورودی کمتر از ۸۵٪ ولتاژ نامی باشد، اینورتر باید دارای محافظ و نمایشگر باشد. ۲) محافظ اضافه ولتاژ ورودی: وقتی ولتاژ ترمینال ورودی بالاتر از ۱۳۰٪ ولتاژ نامی باشد، اینورتر باید دارای محافظ و نمایشگر باشد. ۳) محافظت در برابر اضافه جریان: حفاظت اضافه جریان اینورتر باید بتواند در صورت اتصال کوتاه شدن بار یا عبور جریان از مقدار مجاز، اقدام به موقع را تضمین کند تا از آسیب دیدن آن در اثر جریان ناگهانی جلوگیری شود. هنگامی که جریان کاری از ۱۵۰٪ مقدار نامی فراتر رود، اینورتر باید بتواند به طور خودکار محافظت کند. ۴) حفاظت اتصال کوتاه خروجی زمان عمل حفاظت اتصال کوتاه اینورتر نباید از 0.5 ثانیه تجاوز کند. ۵) محافظت در برابر قطب معکوس ورودی: وقتی قطب‌های مثبت و منفی ترمینال ورودی معکوس می‌شوند، اینورتر باید دارای عملکرد حفاظتی و نمایشگر باشد. ۶) حفاظت در برابر صاعقه: اینورتر باید دارای محافظ رعد و برق باشد. ۷) محافظت در برابر دمای بیش از حد و غیره علاوه بر این، برای اینورترهایی که فاقد اقدامات تثبیت ولتاژ هستند، اینورتر باید اقدامات حفاظت از اضافه ولتاژ خروجی را نیز داشته باشد تا بار را از آسیب اضافه ولتاژ محافظت کند. ۸. ویژگی‌های شروع برای توصیف توانایی اینورتر در شروع به کار با بار و عملکرد در حین عملیات دینامیکی. اینورتر باید شروع به کار قابل اعتمادی را تحت بار نامی تضمین کند. ۹. سر و صدا اجزایی مانند ترانسفورماتورها، سلف‌های فیلتر، سوئیچ‌های الکترومغناطیسی و فن‌ها در تجهیزات الکترونیک قدرت، نویز ایجاد می‌کنند. هنگامی که اینورتر به طور عادی کار می‌کند، نویز آن نباید از 80 دسی‌بل تجاوز کند و نویز یک اینورتر کوچک نباید از 65 دسی‌بل تجاوز کند. مهارت‌های انتخاب اینورترهای خورشیدی