چرا پنل های خورشیدی به اینورتر نیاز دارند؟

اولین استفاده از اینورتر ها در اوایل قرن بیستم انجام شد، در آن زمان اینورترها عمدتا در سازوکار های صنعتی، جهت تبدیل برق جریان مستقیم (DC) از باتری‌ها و ژنراتورها به جریان متناوب (AC) برای راه‌اندازی ماشین‌آلات استفاده شدند. یکی از نمونه های اولیه استفاده عملی از اینورتر در فرآیند جوشکاری الکتریکی بود که در آن برق DC از یک ژنراتور به برق AC برای کار با تجهیزات جوش تبدیل می شد. همچنین از اینورترها در وسایل نقلیه الکتریکی برای تبدیل نیروی موتور استفاده می شد.

با پیشرفت تکنولوژی، اینورترها در طیف وسیع تری از کاربردها مورد استفاده قرار گرفتند. آنها نقش خود را در سیستم انرژی های تجدیدپذیر و همچنین در تثبیت شبکه برق به دست آوردند. آنها همچنین انرژی پشتیبان را در صورت قطع برق تبدیل می کنند. و اما سوال اینجاست! چرا سلول های خورشیدی به اینورتر نیاز دارند و آیا اینورتر واقعا یک جزء ضروری است؟ در مقاله به طور کامل به این سوال پاسخ داده شده است.

اینورتر خورشیدی چیست؟

اینورتر خورشیدی یک جزء کلیدی در یک سیستم انرژی خورشیدی است. این جعبه کوچک وظیفه تبدیل جریان مستقیم (DC) خروجی پانل های خورشیدی به جریان برق متناوب (AC) را بر عهده دارد. این برق متناوب است که ما در خانه‌ و محل کار از ان استفاده میکنیم. به طور کلی دو نوع اصلی اینورتر خورشیدی وجود دارد: “اینورترهای رشته ای یا string inverters” و “میکرواینورترها یا micro inverters”. اینورترهای رشته‌ای معمولاً برای سیستم‌های خورشیدی در مقیاس بزرگ استفاده می‌شوند که در آن چندین پنل خورشیدی به صورت سری یا «رشته‌ای» به هم متصل شده‌اند و برق DC برای تبدیل از یک اینورتر منفرد عبور می‌کند. میکرواینورترها برای سیستم‌های انرژی خورشیدی کوچکتر و غیرمتمرکز بهترین عملکرد را دارند، یعنی جایی که هر پنل خورشیدی جداگانه دارای اینورتر اختصاصی خود است، این موضوع برای به حداکثر رساندن عملکرد یک سیستم کوچک کمک می کند. تمامی اینورترهای خورشیدی به دو دسته “شبکه به متصل” یا “خارج از شبکه” طبقه بندی می شوند. اینورترهای متصل به شبکه به شبکه برق متصل هستند و اجازه می دهند انرژی اضافی به شبکه مادر بازگردانده شود. در حالی که اینورترهای خارج از شبکه به شبکه متصل نیستند و معمولاً در مکان‌های دور که اتصال به شبکه میسر نیست استفاده می‌شوند.

راندمان اینورتر خورشیدی

در بحث اینووتر خورشیدی، راندمان، رتبه بندی بازده اینورترها و چگونگی تبدیل موثر DC به الکتریسیته AC را توصیف می کند. اینورترهای با راندمان بالاتر، توان بیشتری را به الکتریسیته قابل استفاده تبدیل می‌کنند و انرژی کمتری را به شکل گرما هدر می‌دهند. اکثر اینورترهای خورشیدی دارای میانگین بازدهی در حدود 96 تا 98 درصد هستند.

یکی دیگر از ویژگی های مفیدی که باید در مورد آن بدانید حداکثر ردیابی نقطه قدرت (MPPT) است. MPPT نقاط عملیاتی (Voc و Isc) را ردیابی می کند که حداکثر توان خروجی را از پنل خورشیدی شما می دهد. حداکثر ردیابی نقطه برق، کارایی کلی سیستم خورشیدی را بهبود می بخشد. مدار باز ولتاژ (Voc) و اتصال کوتاه جریان (Isc) دو پارامتر کلیدی هستند که مشخصات الکتریکی یک پنل خورشیدی را توصیف می کنند. این مقادیر حداکثر خروجی یک پنل خورشیدی و همچنین اندازه اینورتر و سایر اجزای الکتریکی را تعیین می کند. Voc حداکثر ولتاژی را که یک پنل خورشیدی می تواند تولید کند را بیان می کند، در حالی که Isc حداکثر جریان است. Voc بدون بار روی پنل خورشیدی اندازه گیری می شود. Isc با اتصال کوتاه در پایانه های پنل خورشیدی اندازه گیری می شود.

چرا سلول های خورشیدی به اینورتر نیاز دارند؟ا

اینورتر خورشیدی یک جزء ضروری در اکثر سیستم های خورشیدی است. سلول های خورشیدی از طریق اثر فتوولتائیک، الکتریسیته تولید می کنند که در طی آن، نور خورشید به جریان مستقیم تبدیل می شود. اینورتر یک قطعه لازم برای تبدیل این انرژی DC از سلول های خورشیدی به برق جریان متناوب لازم است. بدون اینورتر، انرژی خورشیدی با اکثر وسایل الکتریکی که ما استفاده می کنیم ناسازگار خواهد بود. همانطور که در بخش قبل ذکر شد، اینورترهای خورشیدی دارای قابلیت ردیابی حداکثر نقطه قدرت (MPPT) نیز هستند. MPPT الگوریتمی است که به اینورتر اجازه می‌دهد تا توان خروجی پنل‌های خورشیدی را با تنظیم ولتاژ و جریان برای مطابقت با حداکثر نقطه توان آنها (MPP) بهینه کند. به لطف این ویژگی، اینورتر می تواند حداکثر انرژی ممکن را از پنل های خورشیدی استخراج کند که به نوبه خود عملکرد کل راه اندازی را بهبود می بخشد.

اینورتر خورشیدی چگونه کار می‌کند؟

یک اینورتر خورشیدی جریان را از طریق فرآیند سوئیچینگ الکترونیکی و تبدیل ولتاژ تبدیل می کند. نحوه عملکرد اینورتر خورشیدی را به ترتیب می توان به مراحل زیر تقسیم کرد :

1- پنل های خورشیدی نور خورشید را به برق DC تبدیل می کنند

2- سپس جریان DC به اینورتر ارسال می شود

3- اینورتر انرژی را به برق DC ولتاژ پایین تبدیل می کند

4- اینورتر، DC ولتاژ پایین را به AC سوئیچ می کند و این کار با روشن و خاموش کردن سریع ولتاژ DC انجام می شود که یک شکل موج AC ایجاد می کند.

5- اینورتر مجهز به یک ترانسفورماتور برای همگام سازی دقیق با فرکانس و فاز شبکه است

6- ترانسفورماتور ولتاژ AC را افزایش یا کاهش می دهد تا آن را با سیستم الکتریکی مطابقت دهد

7- در آخر برق AC برای استفاده به سیستم الکتریکی فرستاده می شود یا به شبکه تغذیه می شود

اینورترهای مدرنی که قرار است به شبکه متصل شوند، اگر شبکه را تشخیص ندهند، در واقع برق تولید نمی کنند. این یک اقدام ایمنی مهم برای جلوگیری از صدمات احتمالی به کارگران تاسیسات یا تکنسین های خورشیدی است.

اجزای اصلی یک اینورتر خورشیدی چه هستند؟

اجزای اصلی یک اینورتر خورشیدی به نوع اینورتر و کاربرد آن بستگی دارد. به عنوان مثال در اینورتر هایی که خارج از شبکه فغالیت میکنند، کنترل کننده های شارژ و باتری اضافی وجود دارد و اینورترهای متصل به شبکه دارای سیستم مدیریت و سیستم انطباقی با شبکه هستند. اینورتر خورشیدی شما به طور کلی از این اجزای مهم تشکیل شده است :

سوئیچ الکترونیکی قدرت : کلید الکترونیکی که به عنوان پل اینورتر نیز شناخته می شود، وظیفه تبدیل جریان مستقیم از صفحات خورشیدی به جریان متناوب را بر عهده دارد. از فرآیندی به نام مدولاسیون عرض پالس (PWM) برای روشن و خاموش کردن سریع ولتاژ DC استفاده می کند که یک شکل موج AC ایجاد می کند.

میکروکنترلر : میکروکنترلر کامپیوتر کوچکی است که عملکرد اینورتر از جمله کلید الکترونیکی پاور را کنترل می کند. همچنین بر عملکرد کل سیستم نظارت می کند و داده ها را به سیستم نظارت و کنترل ارسال می کند.

ترانسفورماتور : ترانسفورماتور ولتاژ برق متناوب را با سیستم الکتریکی کاربر مطابقت می دهد.

ردیابی حداکثر توان (MPPT) : الگوریتمی است که به اینورتر اجازه می‌دهد تا با تنظیم ولتاژ و جریان برای مطابقت با حداکثر نقطه توان سیستم (MPP)، توان خروجی از پنل‌های خورشیدی را بهینه کند.

سیستم خنک کننده : این سیستم خنک کننده گرمای تولید شده در حین کار را دفع می کند و از قطعات الکترونیکی در برابر داغ شدن بیش از حد محافظت می کند.

سیستم نظارت و کنترل : این سیستم به عملکرد اینورتر و همچنین کل مجموعه خورشیدی نظارت می کند و نیز توانایی تنظیم و برنامه ریزی تنظیمات دستگاه در صورت نیاز را دارد.

چگونه یک اینورتر خورشیدی با شبکه همگام می‌شود؟

یک اینورتر خورشیدی باید با شبکه برق همگام‌سازی شود تا اطمینان حاصل شود برق تولید شده در فاز و هم‌فرکانس شبکه است. شما میتوانید انرژی خورشیدی اضافی را به شبکه تغذیه کنید، اما زمانی که پنل‌های خورشیدی انرژی کافی برای تامین نیازهای شما تولید نمی‌کنند در این زمان میتوان ار شبکه نیز انرژی بگیرید. فرآیند همگام سازی را می توان در چند مرحله تقسیم کرد :

1- اینورتر، ولتاژ و فرکانس شبکه را کنترل می کند. بر اساس مقادیر به دست آمده، خروجی خود را برای مطابقت تنظیم می کند.

2- دستگاهی به نام حلقه قفل فاز (PLL) فاز خروجی اینورتر را قفل می کند.

3- یک کنترل کننده گرید-tie خروجی ولتاژ و فرکانس را در محدوده خاصی نگه می دارد.

4- اینورتر  از یک واسط اتصال به شبکه برای برقراری ارتباط با اپراتور شبکه استفاده می کند تا اطمینان حاصل شود که برق تغذیه با پرونکل های شبکه مطابقت دارد.

5- اینورتر دارای تجهیزات حفاظتی است که در صورت خرابی یا تعمیر شبکه، اینورتر را از شبکه جدا می کند.

6- اینورترهای خورشیدی متصل به شبکه از دستگاه ها و الگوریتم های مختلفی برای قفل کردن فاز و برقراری ارتباط با اپراتور شبکه و همچنین برای اطمینان از ایمنی و انطباق با کدهای شبکه استفاده می کنند.

آیا جایگزینی برای اینورترهای خورشیدی وجود دارد؟

اینورتر یک جزء ضروری در سیستم خورشیدی برای تبدیل خروجی متغیر DC پانل های فتوولتائیک به جریان متناوب با فرکانس شهری است. با این حال برخی از فناوری‌های جایگزین وجود دارند که می‌توانند جریان مستقیم خورشیدی را ذخیره و جهت استفاده کاربر راه اندازی کنند. یکی از گزینه ها استفاده از باتری های مخصوصی است که انرژی DC را از صفحات خورشیدی ذخیره می کنند. سیستم ذخیره باتری امکان استفاده از انرژی را در زمان های بعدی که خورشید نمی تابد یا زمانی که تقاضا بیشتر از خروجی واقعی پنل های خورشیدی است، می دهد. جایگزین دیگر استفاده از بارهای جریان مستقیم است. یعنی وسایلی که مستقیماً با برق DC کار می کنند و عمدتاً در شرایط خارج از شبکه که اتصال در دسترس نیست استفاده می شود برخی از این نمونه ها عبارتند از :

دستگاه های الکترونیکی قابل حمل برای استفاده روزانه مانند گوشی های هوشمند، تبلت ها و لپ تاپ ها، وسایل کوچک مانند فن های قابل حمل، چراغ های قابل حمل و بخاری های قابل حمل، چراغ های LED و سایر سیستم های روشنایی ولتاژ پایین، موتورهای کوچک موجود در اسباب بازی ها، ریش تراش برقی، ابزارهای برقی مانند مته های شارژی و اره برقی و…

این لیست بسیار طولانی است نه؟ اما خب چرا هنوز به برق AC نیاز داریم؟ بیشتر لوازم خانگی و تجهیزات الکتریکی بزرگ با برق AC کار می کنند. جریان متناوب در شبکه توزیع می شود و برای انتقال در فواصل طولانی کارآمدتر است. با این حال، برخی از لوازم خانگی دارای اینورترهای DC-AC برای تبدیل برق AC به برق DC برای کار کردن برخی قطعات داخلی هستند. علاوه بر این، فناوری‌های جدیدی مانند مبدل‌های DC-DC، اینورترهای DC-AC و ترانسفورماتور حالت جامد (SST) برای تبدیل برق DC به برق AC بدون استفاده از اینورتر در حال توسعه هستند. اما این فناوری ها هنوز در مراحل اولیه توسعه هستند و هنوز به طور گسترده برای استفاده تجاری در دسترس نیستند.

امیدواریم با مطالعه این مطلب که سعی شد به زبان ساده و کامل ارائه شود، پاسخ سوالات خود را پیرامون اینورتر خورشیدی و موارد مرتبط به آن پیدا کرده باشید.