Довголіття інверторів

Очікуваний термін служби фотоелектричних інверторів значно коротший, ніж у модулів. У багатьох проектах заміна інвертора включається у фінансові розрахунки з самого початку, незважаючи на високу вартість. Проводяться дослідження причин несправностей, щоб розробити більш довговічні інвертори та компоненти. Але сама конструкція СЕС вже може подовжити термін служби інверторів, які використовуються сьогодні.

Коли Йенс Хайнцлер заходить на сонячну електростанцію, іноді здалеку чує пронизливий свист. «Жахливий шум», — каже керуючий директор Sun2Energy, постачальника послуг з обслуговування та технічного управління фотоелектричними системами. Шум походить від струнних інверторів , і хоча точний дефект не завжди очевидний, струнні інвертори, які створюють такий шум, незабаром доведеться замінити .

Такі установки, оператори яких підписали контракт на технічне обслуговування, були запущені в мережу між 2006 і 2020 роками. Багато з них зараз спричиняють проблеми і джерелом цього частіше є інвертори, а не модулі. Для струнних інверторів несправність часто означає кінець терміну служби пристрою. Крім того, операторам часто доводиться замінювати всі інвертори в проекті до закінчення періоду дії гарантій на пільгові тарифи.

Хайнцлер і його команда не самотні: інвертори є ахіллесовою п’ятою сонячних електростанцій з точки зору несправностей. Огляд даних Національної лабораторії відновлюваної енергії (NREL) за 2020 рік показує, що в Сполучених Штатах близько 43% звернень до технічного обслуговування фотоелектричних систем пов’язані з несправністю інвертора, а 35% виміряних втрат виробництва пов’язані з несправністю інвертора . У цьому ж дослідженні модулі відповідають лише за 2% звернень до технічного обслуговування та лише за 1% втрати прибутку. З такими цифрами виникає питання, чому інвертори є таким слабким місцем у ланцюжку. Експерти, які шукають відповідь на це питання, хочуть розробити кращі прогнозні моделі та довговічні інвертори.

Термін служби інвертора

Команда Бернського університету прикладних наук оцінила опитування про несправності інверторів у 1280 фотоелектричних системах з 2151 інвертором. У швейцарському дослідженні були представлені різні СЕС, від маленьких приватних систем на даху до великих наземних систем із центральними інверторами. Через 15 років половина станцій показує інвертори з першими помилками, пов’язаними з ефективністю.

Однак між пристроями також є значні відмінності. Виробник, місце встановлення та конструкція інвертора відіграють важливу роль, коли йдеться про довговічність. Наприклад, імовірність виживання інверторів, встановлених у приміщенні , впала зі 100% до 75% через 13 років. Пристрої, які були встановлені на вулиці, в основному незахищені від погоди, досягли такої ж ймовірності виживання лише через шість-сім років. Однак автор дослідження Крістоф Бухер також каже, що інші кореляції могли сприяти цьому дуже чіткому результату.

Те, що вчені підкріплюють тут цифрами, відповідає спостереженням Хайнцлера; інвертори з проблемами часто встановлюються окремо стоячими вузлами з пристроями, які повністю піддаються впливу сонця . «Якщо інвертори можуть бути встановлені під модулями, вони принаймні певною мірою захищені», — каже Хайнцлер. Це перевага, каже він, тому що тепло явно впливає на пристрої. Передбачається, що інвертори мають бути захищені параметрами зниження номінальних характеристик, які зменшують вихідну потужність інвертора відповідно до температурних обмежень. У спекотні літні дні вони швидко досягаються, а внутрішні компоненти зазнають більшого навантаження.

Зміна температури

«Старінню сприяють фактори навколишнього середовища, такі як інтенсивна спека або висока вологість», — говорить Тодд Карін з випробувальної лабораторії PV Evolution Labs (PVEL) у Каліфорнії. Особливо поширеним дефектом у силових напівпровідниках є відривання зв’язувального дроту, яке часто спричинене інтенсивним нагріванням. Напівпровідники припаяні до друкованої плати, виготовленої з матеріалу, що складається з міді та кераміки. Під час термоциклування матеріали розширюються до різного ступеня. З’єднувальний дріт, до якого приєднаний напівпровідник, не витримує цих рухів і згодом ламається. Це призводить до короткого замикання та виникнення дуги всередині інвертора.

Постійна зміна гарячого на холодне також може призвести до того, що кераміка почне розшаровуватися, продовжує Карін. Це призводить до погіршення теплопровідності напівпровідника і, в крайніх випадках, до короткого замикання. Крім того, тепло може призвести до руйнування силіконових або керамічних ізоляторів у напівпровідниковому розетці. Це призводить до електричного збою з коротким замиканням, утворенням дуги та пожежі.

Як саме вплив навколишнього середовища спричиняє деградацію компонентів, досі неясно, і досліджується, наприклад, у Галле, в Інституті мікроструктури матеріалів і систем Фраунгофера (IMWS). У проекті, який розпочався у 2020 році, група працює разом із виробниками інверторів, включаючи SMA , Electronicon і Merz Schaltgeräte. Вони надали повернуте обладнання та зламані пристрої, які використовувалися в реальних умовах.

Деградація

Команда уважніше вивчає несправні компоненти, щоб зрозуміти причини та механізми старіння. Крім того, дослідники вивчають робочі інвертори, які використовувалися протягом багатьох років у реальних умовах або пройшли прискорене тестування на надійність. Щоб охарактеризувати механізми деградації, вони використовують такі методи, як неруйнівна акустична мікроскопія або замкнута термографія. «Ми отримуємо компоненти з різних кліматичних умов, які надсилають нам виробники», — каже Сенді Кленгель, керівник групи з оцінки інтеграції електронних систем у Fraunhofer IMWS.

Кленгель та її колеги зіставляли зібрані дані про старіння з параметрами використання та записами умов навколишнього середовища, ставлячи запитання, наприклад, чи часто було жарко на місці? Або інвертор часто працював з частковим навантаженням? У багатьох випадках аналогічні дані записуються інверторами одночасно.

«Таким чином можна зробити висновки про різні механізми старіння через величезну спеку або високу вологість», — говорить Кленгель. Метою дослідницького проекту є розробка кращих прогнозних моделей погіршення якості та надійності інвертора. Кленгель не бажає робити широкі заяви про причини несправностей компонентів. Дослідження ще не завершені, і поки рано повністю розшифровувати дані.

Чутливий до вологи

Але Кленгель розкриває наступне: «Плівкові конденсатори особливо сприйнятливі до вологи», відзначаючи значні відмінності між виробниками конденсаторів. Крім того, виробники працюють над новими конструкціями корпусів конденсаторів і систем інкапсуляції. Але на інші компоненти також впливають механізми старіння; дроселі, друковані плати, силові напівпровідники та все інше в інверторі потрапляє в лабораторію.

«Те, що транзистори, або IGBT [біполярні транзистори з ізольованим затвором], мають несправності, — це те, що ми спостерігаємо рідше», — каже Хайнцлер, який також не вказує на одну модель несправності, зазначивши, що проблеми варіюються від повторюваних самовідключень і втрати електроенергії. З його досвіду найпоширенішими проблемами називають конденсатори та комунікаційне обладнання.

Часто певні шаблони також можна визначити на основі виробників і років виробництва, що допомагає у вирішенні певних проблем. Номери партій також є ключовими: якщо дати виробництва інвертора одного типу різняться протягом тривалого часу, цілком може бути, що виробник використовує різних постачальників, і схема помилок зміниться. Тому, щоб бути в безпеці під час купівлі інверторів або оцінки ризику установки, покупці повинні дивитися на перелік матеріалів інверторів, говорить Кленгель з Fraunhofer IMWS. На ринку є інвертори з високою надійністю та 20-річною гарантією, а також резистивні конденсатори.

Численні збої

Струнні та центральні інвертори мають різні режими відмови. Карін з PVEL повідомляє, що струнні інвертори мають у 30 разів більше компонентів, ніж центральні інвертори, що значно підвищує сприйнятливість до відмови. Крім того, інвертори з вищим перетворенням потужності все більше зменшуються в розмірах. Тому вимоги до струнних інверторів величезні, каже він. «Зараз ви хочете встановлювати струнні інвертори потужністю 150 кіловат або більше за допомогою двох робітників і без допоміжного крана», — говорить Єнс Хайнцлер.

Проблема з високою щільністю потужності полягає в розсіюванні тепла . Таким чином, Карін бачить додаткову цінність у наданні аналітикам даних від постачальника послуг технічного обслуговування доступу до різних датчиків температури в інверторі. Практично всі силові напівпровідникові модулі мали б такі вбудовані датчики. Але не всі виробники інверторів забезпечують кінцевим клієнтам доступ до даних. Ці дані можна навіть використовувати для прогнозування несправності або граничної роботи IGBT.

Дизайн і архітектура

На термін служби інверторів впливає не тільки конструкція виробника, а й спосіб їх встановлення. Хайнцлер пояснює екстремальний випадок із фотоелектричною установкою, побудованою з 270 встановленими інверторами, потужністю лише 9 кВт кожен. Навіть при частоті відмов лише в 1%, за його словами, ви повинні замінювати обладнання кілька разів на рік. Трохи потужніші пристрої значно зменшать кількість компонентів.

Центральні інвертори, з іншого боку, матимуть найдовшу очікувану тривалість служби, але також вимагатимуть більшого обслуговування. Причини вищої очікуваної тривалості життя полягають у тому, що центральні інвертори мають складні системи вентиляції, а інтер’єр має складний дизайн. Перегрів рідко є проблемою. Але захищене місце встановлення також позитивно впливає на термін служби, каже Хайнцлер. Цей захист також може бути забезпечений своєрідним захисним корпусом для струнних інверторів.

Інший аспект, який призводить до більш раннього закінчення терміну служби інверторів, згідно як з дослідженням Берна, так і з досвідом Хайнцлера, є результатом широко поширеної тенденції до оптимізації витрат. Якщо генератор постійного струму налаштовано на перевантаження на 40% або 45%, він бачить частіші несправності в роботі, ніж у системах, де перевищення становить лише 10%-15%. «Якщо я завжди їду на своїй машині зі швидкістю 220 км/год, вона вийде з ладу швидше, ніж якби я завжди рухався зі зручною швидкістю 120 км/год», — каже Хайнцлер.

Компроміс ефективності

Профілактичні заходи для виробників можуть передбачити, що вони визначать розміри силових напівпровідників більш щедро, що запобігатиме відриву об’ємного дроту, пояснює Карін. Однак це робить пристрої дорожчими та менш ефективними.

Багато недоліків виникають через спроби оптимізувати витрати на проект. Хайнцлер розповідає про те, як кабельні лінії можна скоротити навпіл, коли розробники проекту використовують Y-роз’єм, щоб під’єднати дві струни до одного входу MPPT. Але це не без проблем, каже він. В одному випадку, який він спостерігав, цей метод встановлення був визнаний правильним у паспорті виробника, але Хайнцлер каже, що виявив, що пристрої більш схильні до поломок.

Коли Хайнцлер і його команда видалили Y-роз’єми, сприйнятливість до перешкод зменшилася. Його висновок: «Ви повинні краще стежити за балансом між будівельними та експлуатаційними витратами. Особливо через очікувану фазу експлуатації від 20 до 30 років. Якщо ви хочете заощадити тут ще кілька метрів кабелю та ще кілька штепсельних розеток, ви зрештою заплатите за рахунком».

Той, хто включає в ціну очікувані витрати на ремонт або заміну інверторів, не побудує щось подібне, каже Хайнцлер. Він звертається до «здорового електротехнічного почуття» при плануванні систем. Це включає в себе не надто велике перевантаження постійним струмом і те, що інвертори винесені з-під прямого сонячного світла. Це збільшує очікуваний термін служби інверторів.

Ймовірна тривалість життя

Формулювання точного очікуваного терміну служби пристроїв зрозуміло з точки зору бізнесу, але це не без проблем, каже Карін. Його враження таке, що виробники готуються виробляти компоненти з очікуваним терміном служби від 15 до 20 років. «Проектування інверторів означає знаходження балансу між міцним, надійним продуктом і надто дорогим продуктом», — каже він. «Тому припущення про те, що інвертор прослужить від 10 до 15 років, стає самоздійснюваним пророцтвом». Якщо всі в галузі роблять те саме припущення, виробники матимуть мало стимулів робити свою продукцію більш міцною та довговічною.

З іншого боку, виробники роками скаржилися на те, що проекти надто орієнтовані на капітальні витрати, тому віддають перевагу компонентам вищої якості. І все ж індустрія зрушила з місця. Технологічний консультант DNV підготував білий документ, у якому зазначив, що 15 років тому інвертор було прийнято міняти кожні п’ять років. За оцінками DNV, очікуваний термін служби сучасних пристроїв для наземних систем зараз становить трохи більше десяти років, що відображається в гарантійних термінах.

Впроваджуються постійні вдосконалення, і Кленгель підозрює, що можна досягти подальшого прогресу в перевірці та забезпеченні довговічності інверторів. Він зазначає, що енергетика висуває підвищені вимоги до підтвердження надійності компонентів, що стимулює розвиток. Кленгель вважає, що інвертори за конкурентною ціною з очікуваним терміном служби 30 років, як у випадку з сонячними модулями, є технічно можливими.