פשטו פתרונות הספקת-כוח פוטו-וולטאיים מחוץ לרשת החשמל עם מטענים/אינוורטרים משולבים

פתרונות הספקת-כוח מחוץ לרשת החשמל הנתמכים על ידי פאנלים פוטו-וולטאיים (PV) המשתמשים בעקיבת נקודת הספק מקסימלית (Maximum Power Point Tracking‏, MPPT‏) הופכים פופולריים ככל שהמשתמשים מאמצים מקורות אנרגיה חלופית. עם זאת, מערכות אלו הן מורכבות להתקנה ולהגדרת התצורה. שילוב האפשרויות דורש מספר אינוורטרים ומטענים המוסיפים לעלויות.

כעת המתכננים יכולים לפשט ולהפחית את עלות הספקת-הכוח מחוץ לרשת החשמל וטעינת סוללות באמצעות יחידת טעינה AC/DC משולבת אחת, אינוורטר DC/AC ויחידת מעקף AC.

מאמר זה סוקר בקצרה יישומי הספקת-כוח מחוץ לרשת החשמל ואת המורכבויות של טעינת פאנלים פוטו-וולטאיים (PV‏)/MPPT. לאחר מכן הוא מציג יחידות משולבות של MEAN WELL‏ כדי להראות כיצד הן יכולות לפשט את ההתקנה והתפעול תוך הפחתת עלויות. יישום ביתי מדגים את היתרונות של שימוש במוצר משולב.

מהו יישום הספקת-כוח מחוץ לרשת החשמל?

הספקת-כוח מחוץ לרשת החשמל הופכת לפופולרית משום שהטכנולוגיה הבשילה לנקודה שבה מערכות אלו הן אמינות, יעילות וחסכוניות, ומאפשרות למשתמשים להשיג עצמאות מספקי תשתיות אנרגיה.

כפי שהשם מרמז, הספקת-כוח מחוץ לרשת החשמל מגיעה ממקורות אנרגיה שאינם תשתיות, בדרך כלל פאנלים פוטו-וולטאיים הממירים אור שמש לחשמל. אנרגיית רוח היא גם כן אפשרות.

עבור אוטונומיה מלאה מרשת החשמל, מערכות מחוץ לרשת החשמל דורשות מספר רכיבים עיקריים:

• פאנלים פוטו-וולטאיים (PV‏): להמרת אור שמש לחשמל DC
• מטען MPPT סולארי חיצוני: כדי למטב את זרימת החשמל לסוללות ולמקסם את אחסון האנרגיה
• סוללות: לאחסון האנרגיה הנוצרת על ידי פאנלים פוטו-וולטאיים
• אינוורטר DC/AC‏: להמרת מתח סוללה ל-AC‏ הנדרש עבור מכשירי חשמל ביתיים

בעוד שמשתמשים רבים שואפים לאוטונומיה אנרגטית מלאה, הם מבינים שפאנלים פוטו-וולטאיים עשויים לא לייצר מספיק חשמל באופן עקבי עבור כל המערכות הביתיות שלהם, וינקטו באמצעי הזהירות הנבון של התחברות חזרה לספק שירות התשתית. כניסת AC‏ מרשת-החשמל מומרת להספק DC‏ כדי להגביר את אנרגיית הסוללה (איור 1‏).

איור 1: מוצגת מערכת הספקת-כוח מחוץ לרשת החשמל, המופעלת על ידי פאנל פוטו-וולטאי עם כניסת גיבוי תשתית AC. (מקור התמונה: MEAN WELL)

מערכת אוטונומית מחוץ לרשת החשמל היא מעשית, אך לא פשוטה למימוש. כינון ותחזוקה דורשים תשומת לב, והוספת מחזיר הספקת-כוח לטעינת הסוללות מגבירה את המורכבות. בהנחה שפאנלי ה-PV מותקנים במיקום האופטימלי ובזווית הטובה ביותר, ולסוללות יש קיבולת מספקת לאגירת אנרגיה שתפעיל את הבית במשך שעות של אור שמש מוגבל או אפס אור שמש, אזי מטען MPPT סולארי חיצוני, טעינת AC/DC, אינוורסיה DC/AC ומעקף AC הם המרכיבים העיקריים הקובעים את יעילות המערכת.

אחת מתפקידיו של האינוורטר הוא להמיר את החשמל DC‏ המופק ממערכת הכוללת פאנלים PV‏ וסוללות ליציאה של Hz‏ 60‏/V‏ 230‏. מוצר כמו אינוורטר ISI-501-212B‏ של MEAN WELL‏ מקבל כניסת _DC‏ V‏ 12‏ תוך שהוא מציע יציאת גל סינוס אמיתי של W‏ 450‏ עם עיוותים הרמוניים כוללים (THD) של <3%, עם ייצוב AC של ±3%.

במערך המוצג באיור 1, האינוורטר פועל כמטען PV‏ MPPT‏, כולל מאפייני טעינה של זרם קבוע ומתח קבוע הנדרשים על ידי סוללות עופרת-חומצה. היחידה של MEAN WELL מספקת זרם טעינה של עד 30 אמפר (A) עם תחום מתחי MPPT של V‏ 25‏ עד V‏ 50‏ עבור מילוי-מחדש של סוללות עופרת-חומצה פתוחות או אטומות.

מה זה MPPT?

MPPT משמש עם מקורות הספקת-כוח משתנים כגון פאנלים PV‏ כדי למקסם את הפקת האנרגיה בהתאם לתנאים המשתנים. MPPT מטפל באתגרים הנובעים מיעילות העברת האנרגיה מתא פוטו-וולטאי המשתנה בהתאם לשטף השמש, הצללה, טמפרטורת הפאנל והמאפיינים החשמליים של העומס. ככל שתנאים אלה משתנים, מאפיין העומס (האימפדנס) המציע את העברת ההספק הגבוהה ביותר משתנה גם הוא. המערכת ממוטבת כאשר מאפיין העומס שומר על העברת ההספק בנצילות הגבוהה ביותר, שהיא נקודת ההספק המקסימלית (MPP‏). MPPT הוא תהליך של התאמת מאפיין העומס ככל שהתנאים משתנים כדי להשיג את ה-MPP.

רוב מערכות MPPT המודרניות מספקות נצילות של כ-93 עד 97% בהמרה. ה-ISI-501-212B של MEAN WELL מציע נצילות המרה טיפוסית של 98%.

היציאה ממטען MPPT‏ ISI-501-212B‏ משמשת לטעינת סוללות מערכת הספקת-כוח מחוץ לרשת החשמל באמצעות יציאות פאנלי PV‏. זה נעשה באמצעות פרופיל טעינה מוגדר של זרם קבוע/מתח קבוע המשתמש ב-MPPT כדי להבטיח את קיבולת הסוללה הגבוהה ביותר ולמקסם את מספר מחזורי טעינת הסוללה (איור 2). שלב הציפה שומר על הסוללה ברמת טעינה כמעט מלאה כדי למנוע פריקה-עצמית.

איור 2: מוצג פרופיל טעינה בזרם קבוע/מתח קבוע המשתמש ב-MPPT כדי למטב את קיבולת הסוללה תוך מקסום מספר מחזורי טעינת הסוללה. (מקור התמונה: MEAN WELL)

החשיבות של מתחי AC בעלי גל סינוס טהור

בעוד שמטען MPPT‏ של ה-ISI-501-212B הוא המפתח, הוא רק חלק ממערכת הספקת-כוח מחוץ לרשת החשמל. לדוגמה, אינוורסיה DC/AC נדרשת כדי להמיר את ההספק מסוללות עופרת-חומצה או ליתיום-יון (Li-ion) למתח AC הנדרש על ידי מכשירי חשמל ביתיים. מכשירים כאלה חייבים להיות מסופקים עם מתח AC של גל סינוס טהור כדי להימנע מאתגרים חשמליים כגון תיקון גורם הספק.

לשם כך אינוורטר DC/AC‏ משתמש במעגל גשר-H ובמעגלי בקרה כגון אפנון רוחב פולס (PWM). שילוב גשר-H ו-PWM יוצר מתח ממוצע בקירוב לגל סינוס. PWM מבוקר בדרך כלל על ידי יחידת מיקרו-בקר (MCU) אחת או יותר וכולל שינוי רוחב הפולסים כדי ליצור מתח ממוצע היוצר את גל הסינוס המקורב. הפחתה נוספת בעיוותים הרמוניים ניתן להשיג באמצעות סינון משרן-קבל (LC), אשר מחליק את צורת הגל ומייצר גל סינוס נקי יותר.

לדוגמה, האינוורטר הרציף NTN-5K-148‏ של MEAN WELL משתמש ב-MCUs כדי ליצור גל סינוס אמיתי עם THD של <3% (איור 3).

איור 3: האינוורטר הרציף NTN-5K-148 משתמש ב-MCUs כדי ליצור יציאת AC של גל סינוס אמיתי עם THD של <3%. (מקור התמונה: MEAN WELL)

גודל אחד מתאים לכול

באמצעות פאנלים PV‏, אינוורטר ISI-501-212B ואינוורטר רציף NTN-5K-148 של MEAN WELL‏ מאפשרים למתכננים לבנות מערכת שלמה מחוץ לרשת החשמל, אך האינוורטר הרציף מציע אפילו יותר. בתוך מוצר אחד, המפתחים יכולים להציע טעינת AC/DC לסוללות, אינוורסיה DC/AC עבור הזנת מכשירי חשמל, ויחידת מעקף AC.

ה-NTN-5K-148 דורש כניסה V‏ 48‏ ומייצר יציאה של _AC‏V‏ 110‏. הוא יכול לספק W‏ 4,000‏ רציף עם נצילות שיא של 93%. הוא חלק מסדרת NTN-5K של MEAN WELL‏, שלה מספר גרסאות. לדוגמה, ה-NTN-5K-2380‏ הוא אינוורטר הספקת-כוח DC/AC אמין ביותר מחוץ לרשת החשמל, בעל גל סינוס אמיתי, עם מטען AC מובנה ופונקציית UPS (מעקף AC). המאפיינים העיקריים שלו כוללים תכן דיגיטלי עם בקרת MCU, מעגל בקרה יעיל המגיב במהירות לשינויים סביבתיים ומשפר את האמינות, מאוורר באיכות גבוהה עם רעש אקוסטי נמוך, יציאה רציפה של W‏ 5,000‏, ויציאת _AC‏V‏ 230‏ מכניסת _DC‏V‏ 380‏. נצילות שיא היא 94.5% (איור 4‏).

איור 4: ה-NTN-5K-2380 הוא אינוורטר הספקת-כוח DC/AC אמין ביותר מחוץ לרשת החשמל, בעל גל סינוס אמיתי, עם מטען AC מובנה ופונקציית UPS (מעקף AC). הוא מציע יציאה רציפה של W‏ 5,000‏, ויציאת _AC‏V‏ 230‏ מכניסת _DC‏V‏ 380‏. (מקור התמונה: MEAN WELL‏)

סדרת NTN-5K מתאימה לשימוש במגורים, מסחר, ספנות, רכב, מכרות, אתרי בנייה ואזורים מרוחקים ללא גישה לתשתיות חשמל (איור 5). הסדרה כוללת פונקציית שיתוף זרם אקטיבית מובנית וניתן לחבר אותה לעד 6 יחידות במקביל כדי לספק הספק יציאה AC גבוה יותר.

איור 5: מוצג יישום ביתי טיפוסי של NTN-5K. (מקור התמונה: MEAN WELL)

סיכום

מערכות הספקת-כוח מחוץ לרשת החשמל הן אטרקטיביות הודות לעצמאות שהן מציעות. עם זאת, מערכות כאלה הן מורכבות להתקנה והגדרת התצורה. האינוורטר הרציף של MEAN WELL פישט והפחית את עלות הספקת-הכוח מחוץ לרשת החשמל וטעינת הסוללות על ידי שימוש ביחידת טעינה AC/DC משולבת, אינוורסיה DC/AC ויחידת מעקף AC. דוגמה לכך היא סדרת האינוורטרים/מטענים NTN-5K המטפלים בפונקציות הנדרשות עבור הספקת-כוח מחוץ לרשת החשמל עבור בתי מגורים וטעינת סוללות.