Cетевые солнечные системы

ЧТО ТАКОЕ СЕТЕВАЯ СОЛНЕЧНАЯ СТАНЦИЯ

Сетевая солнечная станция, сетевая фотоэлектрическая станция, on-grid солнечная станция – разные названия одной системы, которая преобразует солнечное излучение в электроэнергию и поставляет непосредственно в сеть переменного тока пропорционально солнечной активности.

Сердце сетевой солнечной станции – сетевой инвертор. К нему сходятся кабели от солнечных массивов. Он преобразует постоянный ток от солнечных панелей в переменный ток и поставляет его в сеть синхронно по фазе и частоте. Так же он контролирует параметры сети.

Если рассматривать большие станции, то они в зависимости от типа используемых инверторов условно делятся на централизованные и децентрализованные. Централизованные строятся на основе больших центральных инверторов (например, на 1 МВт), похожих на контейнер, к которым со всех сторон тянутся кабели от блоков солнечных панелей.

 

Рис.1- Центральный инвертор


Децентрализованные солнечные станции строятся на основе так называемых стринговых инверторов (string inverters) небольшой мощности. Каждый такой инвертор со своим блоком панелей представляет собой обособленную ячейку - солнечную станцию, работающую независимо от остальных. Дальше такие ячейки объединяются по стороне переменного тока параллельно друг другу.


Рис.2 Стринговые инверторы, установленные под солнечными панелями

Каждый подход имеет свои плюсы и минусы (например, высокий расход кабеля по стороне постоянного тока для централизованной солнечной станции против высокого расхода кабеля по стороне переменного тока для децентрализованной). И каждый из вариантов имеет право на существование в определенных условиях.

Но мы не будем углубляться в особенности больших станций, а рассмотрим упомянутую выше одну ячейку – отдельную сетевую блок-станцию небольшой мощности. Для примера за основу возьмём трёхфазный инвертор мощностью 20 кВт, на основе которого будет строиться сетевая (именно с подключением к сети переменного тока) солнечная станция.

Примечание

Аналогичным образом строятся и могут быть использованы блоки на основе однофазных и трёхфазных инверторов мощностью приблизительно до 50 кВт.

 

Оборудование и строение

 

1. Солнечные панели

Наиболее часто для наших условий используются фотоэлектрические модули из поликристаллического или монокристаллического кремния мощностью около 250 Вт (для текущего положения рынка наиболее выгодное сочетание цена-качество). Солнечные панели подключаются последовательно друг с другом в цепочки по 22 панели (ограничение по максимальному напряжению в 1000В DC, в зависимости от конкретной модели модуля возможна корректировка количества). Далее 4 таких цепочки подключаются к сетевому инвертору. Получаем массив солнечных модулей номинальной мощностью 22 кВт, состоящий из 4 отдельных цепочек по 22 панели каждая.

 

2. Каркас для солнечных панелей

Солнечные панели могут быть установлены на земле, на стене здания, на плоской или скатной крыше, на отдельно собранной конструкции (козырьки, навесы для парковки и т.д.). Выбор места определяется как возможностью установки (например, несущая способность перекрытий кровли может стать ограничением), по удобству обслуживания, по ориентации по сторонам света и возможным углам наклона (для стационарной установки без возможности ориентации панелей в течение года рекомендуется устанавливать панели под углом 30-40 градусов к горизонту с ориентацией строго на юг).

Рис.3 Солнечные панели на скатной крыше здания

3. Инвертор

Инвертор преобразует постоянный ток в переменный и поставляет его в сеть синхронно по фазе и частоте. Большинство инверторов на рынке имеют высокий КПД (>97%), высокую надежность и очень простые установку и обслуживание. Так же очень часто производители делают степень защиты инверторов IP65 и выше, что позволяет устанавливать их в удобном для станции месте, в том числе на улице прямо под солнечными модулями на их каркасе. ВАЖНО! Не экономьте на защите инвертора. Обычно, производитель не включает её в базовую комплектацию, а предлагает опционально. Лучше потратить изначально немного большую сумму, чем потом менять инвертор. Основная проблема – выход инверторов из строя ввиду отсутствия защиты от импульсных перенапряжений. И во время грозы возникает проблема. Рекомендуется установка защиты как со стороны DC (солнечных панелей), так и со стороны АС (сети переменного тока). Дополнительно можно поставить предохранители на каждую цепочку панелей. Отдельно (независимо от производителя инверторов) можно установить устройство отключения сети при выходе её параметров за допустимые. Например, SMA Grid Gate. Устройство анализирует параметры сети (фазные напряжения, частоту), и когда какой-то из параметров выходит за допустимые пределы, моментально подается сигнал на размыкание сети. После возвращения параметров в норму, сеть снова замыкается.

Отдельный пример – количество отдельных МРРТ. Если есть возможность установить панели равными группами и расположить их одинаково по отношению к горизонту и сторонам света, то достаточно 1 МРРТ и нет смысла переплачивать за их большее количество. Если есть необходимость разбивать на несимметричные группы или устанавливать массивы панелей с разной ориентацией, то рекомендуется подключать несимметричные массивы панелей на отдельные МРРТ для их раздельного регулирования.

Для примера далее будет использоваться сетевой инвертор с максимальной мощностью АС 20 кВт и 1 МРРТ.

Вопрос: Почему мощность массива солнечных панелей превышает мощность сетевого инвертора? Не опасно ли это?

Ответ: С одной стороны, такое решение позволяет иметь запас мощности солнечных панелей, чтобы на выходе сетевого инвертора получать стабильную генерируемую мощность вне зависимости от незначительных изменений погоды, а так же изменения угла падения солнечных лучей по отношению к солнечным панелям. С другой стороны, в пасмурную погоду это в принципе добавляет выработки электроэнергии при низкой загрузке инвертора. Так же стоит помнить, что у панелей есть деградация в процессе использования и их номинальная мощность снижается (большинство производителей дают гарантию на сохранение 80% выдаваемой мощности через 20-25 лет работы). Таким образом, такое решение повышает стабильность генерируемой мощности на выходе солнечной станции. И это не опасно для инвертора. Наиболее опасно для солнечного инвертора превышение напряжения по постоянному току выше паспортного (обычно это 1000 В DC). Поэтому излишнее количество солнечных модулей в цепочке может привести к выходу инвертора из строя.

4. Экономия электроэнергии

Сетевая солнечная станция может быть подключена во внутреннюю сеть предприятия (или частного хозяйства) и генерировать энергию напрямую в нагрузку. Таким образом, за счет дополнительного источника генерации снижается потребление от сети. Наиболее актуально такое решение для предприятий с постоянным высоким дневным потреблением (возможно, с повышающими тарифами). Так же такое решение позволяет компенсировать пики потребляемой мощности


Рис.5  Схема экономии энергии на основе солнечной  сетевой  станции

Выработка сетевой солнечной станции

Если станция используется в коммерческих целях, то можно приблизительно быстро посчитать её годовую выработку как 1400 Вт ч на 1 Вт установленной мощности. Это практическая величина, полученная из наблюдений за рабочими объектами на территории Республики Mолдова и приблизительно соответствующая расчетным данным различных профильных ресурсов. Стоит заметить, что кроме легко прогнозируемых потерь, связанных с температурными режимами местности и ориентацией панелей, есть потери, которые зависят исключительно от технической реализации проекта (потери на кабеле зависят от его длины и сечения, возможное снижение мощности инвертора из-за перегрева зависит от места установки и эксплуатации), так и от технического обслуживания (очистка панелей от загрязнения и снега, быстрое выявление и устранение неполадок).

Далее предоставим данные с ресурса по расчету генерации солнечных станций. Начальные данные: мощность 22 кВт, фиксированная установка, ориентация на юг, комбинированные потери 15,9%. Как видно из графика ниже, пик выработки энергии приходится на период с мая по август. Более подробная информация представлена в таблице


Рис. 6  Выработка солнечной станции 22 кВт по месяцам в кВт.ч/месяц

Резюме

Выше разобрано типовое строение солнечной фотоэлектрической станции небольшой мощности – отдельного блока. Такая сетевая солнечная станция может быть использована как для коммерческих целей продажи электроэнергии в сеть, так и для экономии потребляемой из сети электроэнергии. В некоторых случаях сетевая солнечная станция может быть использована как источник электроэнергии в автономным системах большой мощности. Для территории Республики Молдова  условно можно считать, что 1 Вт установленной номинальной мощности солнечных панелей выработает 1.4 кВт ч электроэнергии за год. Это позволяет в черновом варианте оценить выработку электроэнергии солнечной станцией.