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光伏逆变器

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太阳光变频器的内部,其中上方有许多的蓝色电解电容器,可以用来暂时储存电能,提升输出波形
太阳光变频器的内部,其中上方有许多的蓝色电解电容器,可以用来暂时储存电能,提升输出波形

太阳光变频器(PV inverter或solar inverter)可以将光伏(PV)太阳能板产生的可变直流电压转换为市电频率交流电(AC)的变频器,可以反馈回商用输电系统,或是供离网英语Off-the-grid的电网使用。太阳光变频器是光伏阵列系统中重要的系统平衡英语balance of system(BOS)之一,可以配合一般交流供电的设备使用。太阳能变频器有配合光伏阵列的特殊功能,例如最大功率点追踪孤岛效应英语islanding保护的机能。

分类

联网式光伏系统的简化架构图[1]
联网式光伏系统的简化架构图[1]

太阳能逆变器可以分为以下三类:

  1. 独立逆变器(Stand-alone inverters):用在独立系统,光伏阵列为电池充电,逆变器以电池的直流电压为能量来源。许多独立逆变器也整合了电池充电器,可以用交流电源为电池充电。一般这种逆变器不会接触到电网,因此也不需要孤岛效应英语islanding保护机能。
  2. 并网逆变器(Grid-tie inverters):逆变器的输出电压可以回送到商用交流电源,因此输出弦波需要和电源的相位频率电压相同。并网逆变器会有安全设计,若未连接到电源,会自动关闭输出。若电网电源跳电,并网逆变器没有备存供电的机能。
  3. 备用电池逆变器(Battery backup inverters)是一种特殊的逆变器,由电池作为其电源,配合其中的电池充电器为电池充电,若有过多的电力,会回灌到交流电源端。这种逆变器在电网电源跳电时,可以提供交流电源给指定的负载,因此需要有孤岛效应英语islanding保护机能。

最大功率点追踪

光伏逆变器会用最大功率点追踪(MPPT)的技术来从太阳能板抽取最大可能的功率[2]太阳能电池的太阳辐照度、温度及总电阻之间有复杂的关系,因此输出效率会有非线性的变化,称为电流-电压曲线(I-V curve)。最大功率点追踪的目的就是在各环境下,针对太阳能模组的输出取様,产生一个(太阳能模组的)负载电阻来获得最大的功率[3]

太阳能电池的形状因子(Fill factor,简称FF)配合其开路电压(Voc)及短路电流(Isc)会决定太阳能电池的最大功率。形状因子定义为太阳能电池的最大功率除以Voc和Isc乘积后的比值[4]

最大功率点追踪有三种不同的算法:扰动观察法(perturb-and-observe)、增量电导法(incremental conductance)及定电压法(constant voltage)[5],前两种常会称为“爬山法”,这些方法是依照电压对功率的曲线,若落在最大功率点的左边则提高电压,若落在最大功率点的右边则降低电压[6]

微式光伏逆变器

一台已安装的微式光伏逆变器
一台已安装的微式光伏逆变器

微式光伏逆变器英语Solar micro-inverter是只配合单一太阳能模组运作的光伏逆变器,将太阳能模组的直流电源转换为交流电源。其设计允许以模组的方式由多台微式光伏逆变器独立并联运转。

微式光伏逆变器的优点包括可以针对单一太阳能模组进行功率最佳化,各个模组可以独立运作,即即用的安装方式,安装方式及防火安全上的提升,系统设计的成本最低,以及在库存上也可以降到最低。

2011年美国阿巴拉契亚州立大学的研究指出,在使用相同太阳能面板的情形下,在未屏蔽的条件下个别的逆变器会比只用一台逆变器的串接型设备会多产生20%的电能,在有屏蔽的条件下,会多产生27%的电能[7]

并网逆变器

太阳能并网逆变器是将电能反馈到电网英语utility grid,若电网断电时,需快速的切断供电给电网的线路,这是美国国家电气规范英语National Electrical Code(NEC)的要求,以确保在断电时,并网逆变器也会关闭,避免伤害维修电网的人员。

目前市面上的并网逆变器有使用许多不同的技术,包括使用较新的高频变压器、传统的工频变压器,或是无变压器的架构。高频变压器不是直接提供120 V或240 V的AC电源,而是有电脑控制的多步程序,让电源转换为高频的交流电,再转换为直流电,最后再转换为电源需要的电压及频率[8]

以往对于无变压器,又要供电到电网的系统会有一些疑虑,主要是因为在直流电路和交流电路之间没有电隔离(galvanic isolation),若直流端故障,会有大电流流到交流端[9]。不过自2005年起,美国消防协会(NFPA)的国家电气规范允许无变压器的逆变器。VDE 0126-1-1及IEC 6210也已允许及定义这类系统需要的安全机制。首先,需要有残留电流或是接地电路以检测异常短路的情形,并且也要进行绝缘测试以确认直流电路与交流电路之间的分离。

许多太阳能逆变器都是设计连接到电网,若没有侦测到电网,逆变器不会运作。这类逆变器也有特殊的电路,精确的使输出电压的大小、频率相位都和电源搭配。

太阳能充电控制器

充电控制器英语charge controller可以用来搭配太阳能板以及用直流电的设备。充电控制器可以提供稳定的直流电源输出,并将多余的能量储存在电池中,并且监控电池的电量以避免过度充电或是过度放电。若一些较贵的模组还可以支援MPPT。逆变器可以接到太阳能充电控制器的输出,再由逆变器推动交流的负载。

太阳能泵变频器

太阳能泵变频器可以将太阳能模组产生的直流电转换为交流电去驱动沈水泵英语Submersible pump[10],不需要电池或是其他的能量储存设备。配合MPPT(最大功率点追踪),太阳能泵变频器可以调节输出频率以控制泵的转速,避免驱动泵的马达损坏。

太阳能泵变频器一般会有数个接口,可以允许太阳能模组阵列提供直流电流,会有一个接口输出交流电压,也可能会有接水位感测器输入的接口。

市场

2014年时,最先进的光伏逆变器转换效率可以到98%,其中串接型逆变器(string inverter)会用到住家或是中型的光伏系统,而中央型的逆变器会用到大型的商用系统甚至电网等级的市场。中央型逆变器及串接型逆变器的市占率分别为50%及48%,微型逆变器的市占率只有不到2%[11]

2014年逆变器/转换器的市场
种类 功率 效率(a) 市占率(b) 注解
串接型逆变器 最大到100 kWp(c) 98% 50% 每WP为€0.15(b),容易取代
中央型逆变器 100 kWp以上 98.5% 48% 每WP为€0.10,可靠度高,一般会随着服务合约一起销售
微型逆变器英语Solar micro-inverter 光伏模组的功率范围 90%–95% 1.5% 每WP为€0.40,但有容易取代的问题
直流-直流转换器
功率优化器英语Power optimizer
光伏模组的功率范围 98.8% 不适用 每WP为€0.40,但有容易取代的问题,仍需要逆变器,2013年约架设了0.75GWP
资料来源:IHS 2014年的资料,remarks by Fraunhofer ISE 2014, from: Photovoltaics Report, updated as 2014-09-08, p. 35, PDF[11]
Notes: (a)best efficiencies displayed, (b)market-share and cost per watt are estimated, (c)kWp = 千瓦光伏额定功率英语watt-peak

参考资料

  1. ^ Solar Cells and their Applications Second Edition, Lewis Fraas, Larry Partain, Wiley, 2010, ISBN 978-0-470-44633-1 , Section10.2.
  2. ^ Invert your thinking: Squeezing more power out of your solar panels. scientificamerican.com. [2011-06-09]. 
  3. ^ Comparison of Photovoltaic Array Maximum Power Point Tracking Techniques 互联网档案馆存档,存档日期2010-07-09.
  4. ^ Benanti, Travis L.; Venkataraman, D. Organic Solar Cells: An Overview Focusing on Active Layer Morphology (PDF). Photosynthesis Research. 25 April 2005, 87 (1): 77 [27 August 2013]. doi:10.1007/s11120-005-6397-9. 
  5. ^ Evaluation of Micro Controller Based Maximum Power Point Tracking Methods Using dSPACE Platform (PDF). itee.uq.edu.au. [2011-06-14]. (原始内容 (PDF)存档于2011-07-26). 
  6. ^ Comparative Study of Maximum Power Point Tracking Algorithms. doi:10.1002/pip.459. 
  7. ^ A SIDE-BY-SIDE COMPARISON OF MICRO AND CENTRAL INVERTERS IN SHADED AND UNSHADED CONDITIONS (PDF). [27 August 2013]. (原始内容 (PDF)存档于2014年7月14日). 
  8. ^ Photovoltaics: Design and Installation Manual. Newsociety Publishers. 2004: 80. 
  9. ^ Summary Report on the DOE High-tech Inverter Workshop (PDF). Sponsored by the US Department of Energy, prepared by McNeil Technologies. eere.energy.gov. [2011-06-10]. (原始内容 (PDF)存档于2012-02-27). 
  10. ^ McDermott, James E. Horne; Maura. The next green revolution : essential steps to a healthy, sustainable agriculture. New York [u.a.]: Food Products Press. 2001: 226. ISBN 1560228865. 
  11. ^ 11.0 11.1 Fraunhofer ISE report , archived version as per September 2014 (archived PDF)

相关条目

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