Σημαντικές ειδήσεις

Εφαρμογές αντιστροφέων (inverter) σε συστήματα ανανεώσιμων πηγών ενέργειας

Οι αντιστροφείς (inverter) είναι ηλεκτρικές συσκευές οι οποίες μετατρέπουν τη συνεχή τάση ρεύματος εισόδου σε εναλλασσόμενη τάση εξόδου, καθορισμένου πλάτους και συχνότητας, και χρησιμοποιούνται σε μια πληθώρα βιομηχανικών και άλλων εφαρμογών.

 

Tου κ. Άρη Κωνσταντινίδη*

 

Οι κυριότερες εφαρμογές των inverter είναι η ρύθμιση στροφών σε ηλεκτροκινητήρες εναλλασσόμενου ρεύματος, συστήματα UPS και οικιακές συσκευές όπως τα κλιματιστικά, καθώς και η ρύθμιση της εξόδου σε συστήματα ηλεκτροπαραγωγής με από φωτοβολταϊκά και μικρές ανεμογεννήτριες.

Στο κείμενο αυτό θα αναφερθούμε εκτενέστερα στους κυριότερους τύπους inverter που χρησιμοποιούνται σε συστήματα ανανεώσιμων πηγών ενέργειας, οι οποίες παίζουν πλέον σημαντικό ρόλο στον τομέα της ηλεκτροπαραγωγής.

Στην παγκόσμια προσπάθεια διαχείρισης της κλιματικής αλλαγής παρέχουν μια οικονομικά ανταγωνιστική και φιλική προς το περιβάλλον λύση, με αποτέλεσμα η χρήση τους να επεκτείνεται διαρκώς και το ποσοστό των αναγκών ηλεκτροπαραγωγής που καλύπτουν να αυξάνεται σημαντικά τα τελευταία χρόνια.

 

Φωτοβολταϊκά συστήματα

Στα φωτοβολταϊκά, ο inverter είναι απολύτως απαραίτητος για τη σωστή λειτουργία και απόδοση του συστήματος, καθώς μετατρέπει τη συνεχή τάση 12, 24 ή 48V που παράγουν οι συλλέκτες σε εναλλασσόμενη 220-230 V συχνότητας 50Hz (για το ελληνικό δίκτυο), ώστε αυτή να αξιοποιηθεί από το δίκτυο και τις οικιακές συσκευές.

Οι ευρύτερα χρησιμοποιούμενοι στα φωτοβολταϊκά συστήματα είναι οι inverter καθαρού ημιτόνου (pure sine wave inverter), λόγω της ανώτερης απόδοσής τους που συνίσταται στη δυνατότητα τροφοδοσίας κάθε ηλεκτρικής συσκευής, στο μειωμένο ηλεκτρικό θόρυβο και στη μειωμένη ιδιοκατανάλωση σε σχέση με τους inverter τετραγωνικού παλμού και τροποποιημένου ημιτόνου.

Ανάλογα με τη λειτουργία και τη διάταξή τους, οι αντιστροφείς διακρίνονται σε:

  1. Αντιστροφείς στοιχειοσειράς (string inverter). Είναι ο παλαιότερος τύπος inverter φωτοβολταϊκών, αλλά εξακολουθεί να χρησιμοποιείται και στα σημερινά συστήματα. Οι συλλέκτες τοποθετούνται σε ομάδες και συνδέονται εν σειρά. Μία ή περισσότερες σειρές συλλεκτών μπορούν να συνδεθούν με έναν αντιστροφέα, ο οποίος μετατρέπει το συνεχές ρεύμα τους σε εναλλασσόμενο. Το μειονέκτημα της συγκεκριμένης διάταξης είναι ότι εάν ένας συλλέκτης έχει μειωμένη απόδοση, λόγω βλάβης ή σκίασης, μειώνεται η απόδοση όλης της σειράς.
  2. Μικροαντιστροφείς (microinverter). Οι συγκεκριμένοι αντιστροφείς κερδίζουν έδαφος και αποτελούν εξαιρετικές λύσεις για οικιακά φωτοβολταϊκά. Καθένας συνδέεται με έναν συλλέκτη και εκτελεί τη μετατροπή τάσης επιτόπου. Με αυτό τον τρόπο, σε περίπτωση που κάποιοι συλλέκτες λειτουργούν με μειωμένη απόδοση, η απόδοση των υπόλοιπων παραμένει αμετάβλητη, ενώ είναι δυνατή και η παρακολούθηση της λειτουργίας και απόδοσης κάθε συλλέκτη ξεχωριστά. Οι μικροαντιστροφείς είναι ακριβότεροι σε σχέση με τους άλλους τύπους αντιστροφέων, αλλά επιτρέπουν την εγκατάσταση μεγαλύτερου αριθμού συλλεκτών σε δεδομένο χώρο, αντισταθμίζοντας έτσι το αυξημένο κόστος.
  3. Βελτιστοποιητές ισχύος (power optimizers). Οι βελτιστοποιητές συνδέονται με κάθε συλλέκτη ξεχωριστά, όπως και οι μικροαντιστροφείς, αλλά αντί να μετατρέπουν την τάση επιτόπου, προωθούν το συνεχές ρεύμα σε έναν αντιστροφέα στοιχειοσειράς. Προσφέρουν τα περισσότερα πλεονεκτήματα των μικροαντιστροφέων, με ελαφρώς μειωμένο κόστος.

 

Ανάλογα με το είδος του φωτοβολταϊκού συστήματος που εξυπηρετούν, διακρίνονται σε:

  1. Αντιστροφείς διασυνδεδεμένου συστήματος (on grid inverter ή grid-tie inverter). Συνδέονται κανονικά στο ηλεκτρικό δίκτυο και αποδίδουν το εναλλασσόμενο ρεύμα σε αυτό.
  2. Αντιστροφείς αυτόνομων συστημάτων (off grid inverter). Λειτουργούν χωρίς σύνδεση στο δίκτυο και τροφοδοτούν μπαταρίες, αποδίδοντας την ενέργεια απευθείας στο αυτόνομο σύστημα.
  3. Υβριδικοί αντιστροφείς (hybrid inverter). Αποτελούν συνδυασμό των παραπάνω τύπων και μπορούν τόσο να λειτουργήσουν ως on grid inverter όσο και να αποθηκεύσουν ενέργεια σε μπαταρίες χάρη στον ενσωματωμένο φορτιστή που διαθέτουν, προσφέροντας τη δυνατότητα backup σε περίπτωση διακοπής της παροχής του δικτύου.

Οι συγκεκριμένες συσκευές προσφέρουν ευκολία στην εγκατάσταση και σημαντική μείωση του κόστους συγκριτικά με πιο πολύπλοκα συστήματα αποθήκευσης ενέργειας, τα οποία συχνά απαιτούν τη χρήση πολλών inverter.

Οικιακές ανεμογεννήτριες

Όσον αφορά τις ανεμογεννήτριες, οι inverter βρίσκουν λιγότερες εφαρμογές, καθώς οι μεγάλες ανεμογεννήτριες παράγουν κατευθείαν εναλλασσόμενη τάση. Παρ’ όλα αυτά, οι περισσότερες οικιακές ανεμογεννήτριες χαμηλής ισχύος παράγουν συνεχή τάση και απαιτούν αντιστροφή. Τα τελευταία χρόνια, η χρήση τέτοιων ανεμογεννητριών, σε συνδυασμό ή στη θέση φωτοβολταϊκών συστημάτων, γίνεται ολοένα και συχνότερη. Τα συστήματα που χρησιμοποιούν ανεμογεννήτριες είναι συνήθως διασυνδεδεμένα.

Oι inverter των ανεμογεννητριών είναι σε γενικές γραμμές διαφορετικοί από αυτούς των φωτοβολταϊκών. Το σημείο μέγιστης ισχύος είναι διαφορετικό στις δύο περιπτώσεις, ενώ η μεγαλύτερη διαφορά συνίσταται στο γεγονός πως η έξοδος των συλλεκτών στα φωτοβολταϊκά είναι εύκολα προβλέψιμη, σε αντίθεση με την αντίστοιχη των ανεμογεννητριών, η οποία εξαρτάται από το αιολικό δυναμικό και μπορεί να μεταβάλλεται σημαντικά από περιοχή σε περιοχή ή κατά τη διάρκεια του έτους. Για αυτό το λόγο, οι ανεμογεννήτριες απαιτούν αντιστροφέα με μεγάλο δυναμικό εύρος και δυνατότητα να διαχειριστεί μεγαλύτερες μέγιστες τιμές ισχύος.

Το υψηλό λειτουργικό κόστος των ανεμογεννητριών σε σχέση με τα φωτοβολταϊκά, αλλά και η αβεβαιότητα του αιολικού δυναμικού, οδηγεί συχνά τους χρήστες σε μεικτές λύσεις και όχι στην αποκλειστική χρήση ανεμογεννητριών. Σε τέτοιες εγκαταστάσεις, είναι δυνατό να χρησιμοποιηθούν υβριδικοί inverter φωτοβολταϊκών – αιολικών, οι οποίοι μπορούν να εξυπηρετήσουν τόσο τους συλλέκτες όσο και τις γεννήτριες, χωρίς φυσικά να είναι απαγορευτική η χρήση διαφορετικών τύπων για κάθε διάταξη.

 

AC coupling

Τέλος, αξίζει να αναφερθούμε στη συνδεσμολογία AC coupling, η οποία συνδέει on grid με off grid inverter σε αυτόνομα συστήματα και μεγιστοποιεί την απόδοσή τους, επιτρέποντας τη βέλτιστη διαχείριση των πόρων, ανάλογα με τη διαθέσιμη ενέργεια.

Εάν η παραγόμενη από το σύστημα ενέργεια δεν επαρκεί για να καλύψει την κατανάλωση, γίνεται χρήση των μπαταριών και, εάν πάλι υπάρχει έλλειμμα, χρησιμοποιείται το δίκτυο ή μια γεννήτρια ως εφεδρική πηγή. Εάν η παραγωγή υπερκαλύπτει την κατανάλωση, φορτίζονται οι μπαταρίες και, εάν υπάρχει πλεόνασμα μετά την πλήρη φόρτιση, αυτό αποδίδεται στο δίκτυο στο πλαίσιο του ενεργειακού συμψηφισμού.

 

*Ο κ. Άρης Κωνσταντινίδης είναι μέλος του Εργαστηρίου Στοιχείων Μηχανών του Εθνικού Μετσόβιου Πολυτεχνείου.

 

 

 

Ελέγξτε επίσης

Η τεχνολογία στην υπηρεσία της συσκευασίας προϊόντων

Η συνεχής εξέλιξη της τεχνολογίας σε όλους τους τομείς της επιστήμης δημιουργεί ευκαιρίες και δίνει …