Ожидаемый срок службы фотоэлектрических инверторов значительно короче, чем фотоэлектрических модулей. Поэтому в финансовые расходы еще в начале разработки каждого проекта включена замена инверторов. В настоящее время проводятся исследования причин поломки инверторов с целью увеличения срока их эксплуатации, но срок работы инверторов также напрямую зависит от конструкции установки.
Иногда около солнечных электростанций слышен пронзительный свистящий шум, который исходит от струнных инверторов, требующих замены.
Многие фотоэлектрические установки, которые были введены в эксплуатацию в период с 2006 по 2020 год, сталкиваются с проблемами, источником которых являются не сами модули, а инверторы, и операторам приходится менять все инверторы часто еще до окончания срока действия льготного тарифа.
Именно инверторы считаются «ахиллесовой пятой» солнечных электростанций. Исследование, проведенное Национальной лаборатории возобновляемой энергии (NREL) в 2020 году показало, что в США 43% заявок на техническое обслуживание фотоэлектрических систем связано с неисправностью инверторов, а еще 35% потерь мощности вызвано отказом инверторов. В том же исследовании говорится, что только 2% заявок связано с техническими проблемами модулей, которые приводят к 1% потери мощности. После анализа этих цифр возникает вопрос: «Почему инверторы являются слабым звеном? И как можно разработать более совершенные и более долговечные инверторы?»
Сроки службы инверторов.
Группа специалистов из Бернского университета прикладных наук проанализировала данные отказов инверторов, полученные от 1 280 фотоэлектрических систем с 2 151 инвертором. В исследовании были представлены как небольшие частные системы «на крышах», так и крупные наземные системы с центральными инверторами. Во всех случаях на половине установок через 15 лет были обнаружены первые проблемы с инверторами, которые приводили к потерям мощности.
Однако было выявлено, что срок эксплуатации зависит от места установки и конструкции инверторов. Так мощность инверторов, установленных в помещении, снизилась со 100% до 75% через 13 лет. В тоже время мощность инверторов, которые были расположены на улице и практически не защищены от непогоды, сократилась до аналогичных значений всего через шесть-семь лет. Это соответствует наблюдениям операторов: «свистящие» инверторы часто стоят прямо на солнце». Если инверторы установить под модулями, то они будут частично защищены в соответствии с параметрами снижения номинальных характеристик, но в жаркие летние дни внутренние компоненты инверторов все равно будут подвергаться большой нагрузке.
Перепады температуры и влажности.
Старение инверторов зависит от таких факторов окружающей среды, как сильная жара или высокая влажность. Распространенной поломкой силовых полупроводников является отсоединение проводов, вызванное высокой температурой. Полупроводники припаяны к печатной плате, изготовленной из прослойки меди и керамики, которые при перепадах температуры расширяются не одинаково. Соединение, к которому подключен полупроводник, не выдерживает термоциклирования и впоследствии ломается, что может приводить к короткому замыканию и искрению внутри инвертора.
Постоянное изменение температуры также может привести к расслаиванию керамики, к снижению теплопроводности полупроводника и, в крайних случаях, к короткому замыканию. Кроме того, перепады способствуют деградации силиконовых или керамических изоляторов в разъеме полупроводника, что в свою очередь приводит к электрическому пробою с коротким замыканием, дуговым разрядом и может вызывать возгорание.
Как именно воздействие окружающей среды вызывает деградацию компонентов, до сих пор полностью непонятно. Изучением этого вопроса занимается Институт микроструктуры материалов и систем имени Фраунгофера в Галле, или IMWS. В рамках проекта, начатого в 2020 году, группа ученных работает совместно с производителями инверторов, включая SMA, Electronicon и Merz Schaltgeräte, которые предоставили возвращенное оборудование и сломанные устройства после эксплуатации в реальных условиях.
Деградация инверторов.
Группа ученых внимательно изучает дефектные компоненты, а также инверторы, которые использовались в течение многих лет или тестировались на надежность, чтобы понять причины и механизмы старения инверторов. Для определения механизмов деградации используются такие методы, как неразрушающая акустическая микроскопия или термография с фиксацией. Ученые исследуют инверторы из разных климатических зон и сопоставляют собранные данные о старении с параметрами использования в разных условиях окружающей среды. Так, можно сделать выводы о различных механизмах старения из-за сильной жары или высокой влажности. Проект направлен на выявление причин отказов компонентов с целью разработки более совершенных моделей прогнозирования деградации и надежности инверторов.
Чувствительность инверторов к влаге.
Пленочные конденсаторы особенно плохо реагируют на влагу, но существуют различия между моделями конденсаторов. Производители постоянно работают над созданием новых конструкций корпусов конденсаторов и систем герметизации. Однако все другие компоненты также подвержены деградации: дроссели, печатные платы, силовые полупроводники и т.д.
Отказ транзисторов или IGBT [биполярных транзисторов с изолированным затвором] наблюдается намного реже. Сбои по причине их отказов варьируются от повторяющихся самовыключений и потери мощности до проблем с конденсаторами.
Обычно из строя выходят конденсаторы и коммуникационное оборудование. Определенные закономерности можно выявить у конкретных производителей и проследить четкую закономерность в зависимости от года выпуска, что помогает устранить конкретные проблемы. Также учитываются номера партий: если даты производства одного и того же типа инвертора сильно отличаются друг от друга, вполне возможно, что производитель использовал разных поставщиков, и характер ошибок меняется.
Поэтому, чтобы обезопасить себя в процессе покупки инверторов или оценки риска установки, покупателям рекомендуется изучить спецификацию инверторов. Сегодня на рынке представлены инверторы с высокой надежностью и 20-летней гарантией, а также резистивные конденсаторы.
Множественные отказы.
Струнные и центральные инверторы имеют разные режимы отказов. Струнные инверторы имеют в 30 раз больше компонентов, чем центральные, поэтому вероятность их отказов намного выше. Кроме того, инверторы с более высоким преобразованием мощности сегодня более компактны, поэтому к ним предъявляются намного больше требований. В настоящее время установка струнных инверторов мощностью 150 и более киловатт выполняется двумя сотрудниками и без использования вспомогательного крана.
Проблема более высокой удельной мощности заключается в рассеивании тепла. Поэтому отдельно анализируются данные предоставленные сервисным центром доступа к различным датчикам температуры в инверторе. Практически все силовые полупроводниковые модули имеют встроенные датчики. Но не все производители инверторов обеспечивают конечным потребителям доступ к этим данным, которые могут использоваться для прогнозирования отказа или пограничной работы IGBT.
Конструкция и архитектура.
На срок службы инверторов влияет не только конструкция, но также и способ установки. Это можно хорошо рассмотреть на примере одной фотоэлектрической станции, на которой было установлено 270 инверторов, каждый мощность всего 9 кВт. Но при 1% отказов на этой станции приходилось заменять оборудование несколько раз в год, хотя даже немного более мощные устройства позволили бы значительно сократить количество компонентов.
Срок службы центральных инверторов намного больше, но при этом они требуют более тщательного технического обслуживания, так как оснащены сложными системами вентиляции. Внутреннее пространство центральных инверторов продумано до мелочей, поэтому они редко перегреваются. Защищенное пространство также увеличивает срок службы инвертора. Аналогичные условия обеспечивает своеобразный защитный корпус для струнных инверторов.
Сокращению срока службы инверторов, как ни странно, способствует широко распространенная сегодня оптимизация затрат. Если генератор постоянного тока подвергается перегрузке на 40-45%, то в системе будут наблюдаться более частые сбои в работе, чем в системах, где перегрузка составляет всего 10-15%. Например, автомобиль, который эксплуатируется со скоростью 220 км/час, сломается быстрее, чем тот, который передвигается с комфортной скоростью 120 км/час.
Компромисс эффективности.
Производители могут изготавливать более широкие силовые полупроводники, что предотвратит отсоединение проводов, но такие это устройства будут более дорогие и менее эффективные.
Многие недостатки возникают из-за попыток оптимизировать затраты на этапе разработки проекта. Например, вдвое сократить кабельные линии, используя Y-образный разъем, чтобы подключить две линии к одному входу MPPT [отслеживание максимальной точки мощности]. В некоторых спецификациях производителя указано, что такой способ установки «считается приемлемым», но на практике оказалось, что такие устройства часто выходили из строя, а когда Y-образные разъемы заменили, количество сбоев уменьшилось. Поэтому рекомендуется тщательно рассчитывать баланс между строительными и эксплуатационными расходами на этапе проектирования. Экономия нескольких метров кабеля не оправдается, если ожидаемый срок эксплуатации устройства составляет от 20 до 30 лет, особенно с учетом предполагаемых расходов на ремонт или замену инверторов.
Ожидаемый срок эксплуатации.
Определить точно срок эксплуатации невозможно. Производители готовы выпускать компоненты со сроком службы от 15 до 20 лет, но в то же время при проектировании инверторов они постоянно ищут баланс между прочным, надежным и дорогим продуктом. Поэтому предположение о том, что инвертор прослужит 10-15 лет, нереально, но в то же время, если все будут так предполагать, то у производителей не будет стимула для производства более прочной и долговечной продукции.
С другой стороны, производители на протяжении многих лет отмечают, что «проектировщики слишком зациклены на затратах и поэтому отказываются от более качественных компонентов». И все же отрасль постоянно движется вперед: 15 лет назад инвертор меняли через каждые пять лет, а гарантийный срок службы современных устройств сегодня более десяти лет.
В настоящее время энергетическая отрасль предъявляет повышенные требования к надежности компонентов, что стимулирует развитие производственных технологий. Поэтому можно ожидать, что конкурентоспособные инверторы, срок эксплуатации которых составляет более 30 лет, скоро появятся на рынке.