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.

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 Advanced Energy, 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 0 -40 0 к горизонту с ориентацией строго на юг).

Рис. 3 – Солнечные панели на скатной крыше здания

Примечание.
По моему личному мнению при наличии свободных крыш, которые просто греются
на солнце, использовать землю под солнечные станции не допустимо (если это не
радиационный заповедник, где ничего нельзя выращивать). Однако, при отсутствии
других вариантов, установка панелей на земле имеет много плюсов.

Рис.4 – Солнечные панели, установленные на землю

 

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.

Варианты использования

1) Коммерческая станция.
При получении технических условий на подключение блок-станции к сети и
подписании договора с местной энергоснабжающей организацией на поставку
электроэнергии сеть, юридическое лицо и ИП может продавать электроэнергию по
повышающему коэффициенту. В соответствии с последним указом Президента вводится
квотирование для каждого возобновляемого источника энергии, но законодательно
закрепляется повышающий коэффициент на 10 лет с момента пуска станции. Для станций
небольшой мощности (как используется в примере) генерация будет происходить в сеть
380 В. Если нужна бОльшая мощность, то несколько таких блоков устанавливаются
параллельно до достижения необходимой мощности. В зависимости от мощности станция
через повышающий трансформатор может быть подключена к сетям 6-10 кВ. На текущий
момент окупаемость такой станции составляет около 5-7 лет. Станции большой мощности
(от 1 МВт) при использовании китайских комплектующих можно окупить за 3 года.

2) 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 – сократить штрафы.

Рис. 5 – Схема экономии электроэнергии на основе сетевой солнечной станции.

 

3) Автономные «умные» сети.
В автономных сетях большой мощности нет возможности использовать большой
массив солнечных панелей для зарядки аккумуляторов. Так же нагрузка распределяется
по территории. Ввиду чего логично и генерирующую мощность распределить по
территории по доступным площадям. Такое стало возможно при использовании
двунаправленных инверторов (инвертор/зарядное устройство, inverter/charger), которые
могут не только задавать сеть, преобразуя постоянный ток с аккумуляторных батарей в
переменный, но и направлять излишки энергии из сети назад в аккумуляторы, а так же
несущей частотой регулировать мощность источников генерации, подключенных по
стороне переменного тока. Примером таких инверторов может быть SMA Sunny Island,
Victron MultiPlus и Quattro, Schneider Conext XW+. Кстати, такими источниками
электроэнергии могут быть не только сетевые солнечные станции, но и ветрогенераторы с
сетевыми инверторами, гидротурбины и т.д. Главное требование – наличие у такого
сетевого инвертора отдельного режима работы в автономных (off-grid) сетях.

Рис. 6 – Автономная система электроснабжения:

1,2 – ветрогенератор с сетевым инвертором; 3,4 – солнечная сетевая станция; 5 – блок
двунаправленных инверторов; 6 – аккумуляторная батарея; 7 – генератор.

 

Аналогичным образом сетевая солнечная станция может быть использована как
дополнительный источник экономии электроэнергии в системах ИБП, построенных на
двунаправленных инверторах. При отключении электроэнергии она снизит разряд
аккумуляторов и продлит срок автономной работы резервируемой нагрузки.

Рис. 7 – Использование сетевой станции для экономии энергии и ИБП в системе с

двунаправленным инвертором Victron Energy.

 

Выработка сетевой солнечной станции

Если станция используется в коммерческих целях, то можно приблизительно
быстро посчитать её годовую выработку как 1000 Вт ч на 1 Вт установленной мощности.

Это практическая величина, полученная из наблюдений за рабочими объектами на
территории Республики Беларусь и приблизительно соответствующая расчетным данным
различных профильных ресурсов. Стоит заметить, что кроме легко прогнозируемых
потеть, 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 юн,
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. 8 – Выработка солнечной станции мощностью 22 кВт по месяцам (кВт ч/месяц)

 

Для экономических расчетов на перспективу стоит так же учитывать деградацию
солнечных модулей, возможные неполадки и прочие факторы. Но это уже более сложный
расчет.
Резюмируем. 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 Беларусь условно можно
считать, что 1 Вт установленной номинальной мощности солнечных панелей выработает 1
кВт ч электроэнергии за год. Это позволяет в черновом варианте оценить выработку
электроэнергии солнечной станцией.