انواع اینورترهای خورشیدی — به زبان ساده

امروزه، بخش بزرگی از سیستم‌های فتوولتائیک به‌صورت متصل به شبکه مورد استفاده قرار می‌گیرند و اینورترهایی که جریان مستقیم را به جریان متناوب تبدیل می‌کنند، وظیفه این اتصال را بر عهده ‌دارند. یک «اینورتر خورشیدی» (Solar Inverter) برای داشتن عملکردی مناسب به‌عنوان بخش انتقال توان سیستم فتوولتائیک باید ویژگی‌های مطلوبی داشته باشد. رویکرد کنترل اینورتر قدرت که ارتباط منبع فتوولتائیک با شبکه برق را برقرار می‌کند، باید برای حصول اطمینان از انتقال انرژی به‌صورت کارآمد، اهداف اصلی زیر را برآورده سازد:

  • تبدیل مناسب توان ورودی DC به یک جریان خروجی AC که به شبکه تزریق می‌شود. این جریان باید «اعوجاج هارمونیکی کل» (Total harmonic distortion) یا THD پایینی داشته باشد. علاوه بر این، سیستم باید به‌گونه‌ای کنترل شود که ضریب توان (PF) قابل قبولی ارائه دهد.
  • استحصال حداکثر توان از منبع فتوولتائیک با استفاده از ردیابی نقطه حداکثر توان (MPPT) صفحه‌های خورشیدی که با شدت تابش نور خورشید و درجه حرارت تغییر می‌کند. برای ردیابی نقطه حداکثر توان روش‌های مختلفی پیشنهاد شده است.

بنابراین ساختار اینورتر به هر شکلی که باشد باید موارد بالا را برآورده سازد. با توجه به نحوه قرارگیری اینورترها در کنار ماژول‌ها و یا آرایه‌های فتوولتائیک، پیکربندی‌های مختلفی برای اتصال یک سیستم فتوولتائیک به شبکه وجود دارد. با نگاهی به مراجع مربوطه می‌توان ساختار اینورترهای خورشیدی را در چهار دسته متداول ساختار اینورتر مرکزی، ساختار اینورتر رشته‌ای، ساختار اینورتر چندرشته‌ای و ساختار میکرواینورتر یا اینورتر ماژول-یکپارچه دسته‌بندی کرد. در ادامه توضیحات مختصری در مورد هر یک از این پیکربندی‌ها داده خواهد شد.

اینورترهای فتوولتائیک
شکل ۱: ساختارهای مختلف اینورترهای فتوولتائیک: (الف) مرکزی (ب) رشته‌ای (ج) چندرشته‌ای (د) میکرواینورتر

اینورتر مرکزی

این ساختار پراستفاده‌ترین و متداول‌ترین ساختار در سیستم‌های فتوولتائیک بزرگ‌مقیاس است. به همین خاطر، این سیستم‌ها غالباً سه‌فاز هستند. شکل ۱ (الف)، این ساختار را نشان می‌دهد. اینورتر متمرکز ارتباط تعداد زیادی از صفحه‌های فتوولتائیک را به شبکه برقرار می‌کند. در ابتدا، صفحه‌ها به‌صورت سری و به شکل یک رشته متصل آرایش پیدا می‌‌کنند. هر کدام از این رشته‌ها قابلیت تولید ولتاژ موردنیاز را برای آنکه به تقویت ولتاژ نیاز نباشد دارا هستند. پس ‌از آن، رشته‌ها از طریق دیودهای رشته‌ای به‌منظور رسیدن به سطح توان بالا به‌صورت موازی متصل می‌شوند.

با توجه به پیچیدگی کمتر در نصب و نیز هزینه کم، به نظر می‌رسد این ساختار راه‌حل مناسبی برای سیستم فتوولتائیک چندمگاواتی باشد. بااین‌حال، چند اِشکال عمده این توپولوژی مانند تلفات عدم تطابق بین صفحه‌های خورشیدی، عدم ردیابی نقطه حداکثر توان مرکزی، تلفات توان ناشی از دیودهای رشته‌ای، طراحی غیرقابل انعطاف که در آن دستیابی به مزایای تولید انبوه امکان‌پذیر نیست، پایین بودن قابلیت ارتقاء و عدم استمرار بهره‌وری مطلوب در تابش کم نیز قابل‌چشم‌پوشی نیست.

به‌طورکلی، بالاترین انرژی خروجی در یک اینورتر متمرکز، تنها زمانی دست‌یافتنی است که همه پنل‌ها دقیقاً مشابه و تحت شرایط جوی یکسان کار کنند. در عمل، این امر به دلیل تغییرات پارامتری ناشی از دما، گردوغبار روی سطح صفحه و سایر شرایط جوی تقریباً غیرممکن است. علاوه بر این، سایه درختان اطراف و یا ساختمان‌ها، ابرها و پرندگان می‌تواند سبب تنوع تابش خورشید روی صفحات شود.

به‌راحتی می‌توان از شکل ۱ (الف) دریافت که صفحه‌های فتوولتائیک در هر رشته، جریان مشابهی دارند و ولتاژ رشته‌ها نیز به دلیل اتصال موازی آن‌ها برابر است. در صورت تفاوت تابش بین صفحه‌های هر رشته، جریان نقطه حداکثر توان این صفحه‌های تطابق نیافته، متفاوت خواهد بود. بنابراین، ممکن است تمام صفحه‌های رشته در نقطه حداکثر توان خود عمل نکنند. به‌طور مشابه، اتصال موازی بین رشته‌ها سبب مسئله عدم تطابق می‌شود. به‌عبارت ‌دیگر، سطح عملکرد سیستم ردیابی نقطه حداکثر توان در اتصالات سری و موازی به خطر خواهد افتاد.

اینورتر رشته‌ای

پس از اینورترهای متمرکز، اینورترهای رشته‌ای برای کاربردهای تجاری و مسکونی ترجیح داده می‌شوند. همان‌طور که در شکل ۱ (ب) نشان داده شده است، اینورتر رشته‌ای یک نسخه کاهش‌یافته از اینورتر متمرکز یا مرکزی است که در آن یک رشته منفرد از صفحه‌های خورشیدی به اینورتر متصل است. ولتاژ ورودی ممکن است برای عدم نیاز به تقویت ولتاژ، به اندازه کافی بالا باشد. اینورترهای رشته‌ای از تلفات عدم تطابق بین رشته‌ها جلوگیری می‌کنند و این اجازه را می‌دهند که هر رشته در نقطه حداکثر توان آن به کار گرفته شود. علاوه بر این، دیودهای رشته‌ای برداشته‌ شده است که خود باعث کاهش اتلاف انرژی می‌شود. از لحاظ استمرار و تداوم عملکرد نیز، بسیار بعید است که همه اینورترهای رشته‌ای به‌طور هم‌زمان افت داشته باشند.

بااین‌حال، ازآن‌جاکه رشته فتوولتائیک هنوز هم از پنل‌های متعدد سری تشکیل شده است، عملکرد MPPT برای هر رشته هنوز هم مناسب نیست. علاوه بر این، اینورترهای اضافه نه‌تنها تلفات تبدیل توان بلکه هزینه سیستم را نیز بالا می‌برند.

اینورتر چندرشته‌ای

ساختار چند رشته‌ای که در شکل ۱ (ج) به تصویر کشیده شده، توسعه‌یافته ساختار رشته‌ای است که در آن چند رشته وجود دارد. هرکدام از رشته‌ها یک مبدل DC/DC مربوط به خود را دارند و به یک اینورتر مشترک DC/AC متصل هستند. در مقایسه با سیستم مرکزی، هر رشته را می‌توان به‌صورت جداگانه کنترل کرد. مبدل DC/DC نیز برای بالا بردن ولتاژ رشته به شین DC استفاده می‌شود. وجود یک شین DC وظایف اینورتر را کاهش می‌دهد زیرا MPPT توسط مبدل DC/DC تحقق می‌یابد.

این توپولوژی همچنین باعث می‌شود سیستم فتوولتائیک قابل‌انعطاف باشد. در واقع، صفحه‌های یک‌ رشته می‌توانند با صفحه‌های رشته دیگر در اندازه، فناوری و یا مقادیر نامی ‌توان متفاوت باشند. علاوه بر این، می‌توان به‌راحتی یک رشته جدید را همراه مبدل DC/DC به سیستم موجود وصل کرد و آن را گسترش داد.

میکرواینورتر

در سال‌های اخیر موضوع میکرواینورتر یا ماژول AC با توجه به برتری‌های نسبی‌ که در مقایسه با سایر پیکربندی‌ها دارد مورد توجه قرار گرفته است. چنین تعریفی برای ماژول AC بیان شده است: ماژول AC یک محصول الکتریکی است که ترکیبی از یک سلول خورشیدی و یک اینورتر الکترونیک قدرت بوده و در صورت اتصال به شبکه، نور را به برق AC تبدیل می‌کند. درواقع یکی برتری‌های اصلی این ساختار همان ماژول و یکپارچه بودن آن است. شکل ۱ (د) ساختار میکرواینورتر را نشان می‌دهد. استفاده از میکرواینورترها خصوصاً برای نصب روی سقف خانه‌ها از نظر اقتصادی به‌صرفه‌تر است. معمولاً مدار در یک جعبه آلومینیومی کوچک به پشت ماژول خورشیدی الحاق می‌شود.

سیستم‌های فتوولتائیک که از میکرواینورترها تشکیل می‌شوند می‌توانند انرژی بیشتری از صفحه‌های خورشیدی استحصال کنند. سیستم‌های فتوولتائیک بر اساس میکرواینورتر می‌توانند تا درصد مناسبی انرژی بیشتری نسبت به سیستم‌های مبتنی بر اینورتر مرکزی و رشته‌ای استخراج کنند زیرا در هر ماژول ردیابی نقطه حداکثر توان به‌صورت جداگانه انجام می‌شود. علاوه بر این، زمان نصب و راه‌اندازی میکرواینورتر بسیار کمتر از سایر ساختارها است. خطر قوس الکتریکی و آتش نیز در این سیستم‌ها کاهش می‌یابد زیرا هیچ ولتاژ DC بالایی با توان زیاد در سیستم سیم‌کشی وجود ندارد. از آن‌جایی‌که هر ماژول به‌طور مستقل به شبکه متصل است، خرابی یک ماژول بر بهره‌برداری از ماژول‌های دیگر تأثیر نمی‌گذارد. علاوه بر این، تشخیص خرابی در سیستم نیز راحت‌تر می‌شود.

تقسیم‌بندی میکرواینورترها

همان‌گونه که در بخش قبل گفته شد با توجه به مزیت‌های میکرواینورترها، استفاده از آن‌ها برای تولید برق خورشیدی امری اجتناب‌ناپذیر است. برای میکرواینورترها و در کل برای تمام ساختارهای معرفی شده، توپولوژی‌های مختلفی بر اساس برخی ویژگی‌های موجود نظیر تعداد مراحل پردازش توان، استفاده یا عدم استفاده از ترانسفورماتور در مدار و … وجود دارد که برخی از آن‌ها عبارتند از:

  • تعداد مراحل پردازش توان که به‌صورت سری قرار می‌گیرند
  • نوع جداسازی قدرت بین ماژول خورشیدی و شبکه تک‌فاز
  • بهره‌گیری و یا عدم استفاده از یک ترانسفورماتور (فرکانس پایین یا فرکانس بالا)
  • نوع اتصال طبقه قدرت به شبکه
ساختار میکرواینورترها
شکل ۲: ساختارهای متداول میکرواینورترها (الف)‌ تک طبقه (ب) دو طبقه

بنا به موارد بالا توپولوژی‌های مختلفی ارائه‌ شده است. ترانسفورماتورها مزیت‌هایی مانند ایزوله کردن مدار را به همراه دارند اما حجیم، سنگین، گران و پراتلاف بودنشان طراحان را وادار به انتخاب مدارهای بدون ترانسفورماتور می‌کند. اِشکال عمده پیکربندی تک‌ مرحله‌ای یا تک طبقه، این است که محدوده ولتاژ خروجی منبع فتوولتائیک به خصوص در کاربردهای توان پایین (به عنوان مثال میکرواینورترها)، محدود است و در نتیجه روی بهره‌وری کلی سیستم تأثیر می‌گذارد. پیکربندی دو مرحله ای که در آن از یک مبدل DC/DC برای تقویت ولتاژ ماژول PV به یک سطح مطلوب استفاده می‌شود می‌تواند این مسئله را حل کند. مبدل DC/DC علاوه بر افزایش ولتاژ، کنترل MPPT ماژول فتوولتائیک را نیز انجام می دهد که موجب عملکرد بهتر در سیستم می‌شود. شکل ۲ ساختارهای متداول میکرواینورترها را نشان می‌دهد.

دیدگاه‌ها (۰)

*
*

*

code