Різноспрямовані стрінги: як розрахувати СЕС на кілька схилів

Панелі, що дивляться в різні боки, можна безпечно підключити до одного інвертора — електричні перевірки ті самі, що й для південного даху. Змінюється те, як їх з'єднувати. Чотири правила покривають майже будь-який дах:

1. Один стрінг — один напрямок. Ніколи не ставте панелі зі східного й західного схилу в один послідовний стрінг. У нашому моделюванні це коштує 14 % річної генерації.
2. Один схил — один трекер MPPT. Дах схід–захід на інверторі з двома трекерами — хрестоматійна схема: кожен трекер веде свій схил.
3. Якщо два схили мусять ділити трекер — лише паралельно й з однаковою кількістю панелей. Однакові паралельні стрінги втрачають менше 0,1 % за рік; стрінг, коротший за сусіда на одну панель, — близько 4,3 %.
4. Перевіряйте кожен стрінг за найгіршого випадку. Максимальна напруга в найморозніший ранок і струм на повному сонці від напрямку не залежать. А єдина величина, що залежить, — сумарний струм двох схилів на одному вході — ніколи не пом'якшує межу безпеки.

Приклад нижче зібраний на панелі та інверторі, які наші відвідувачі цього місяця обирали найчастіше, — LONGi LR7-72HVH-650M і Deye SUN-6K-SG05LP1-EU-AM2-P, для Києва з розрахунковими −25 °C взимку і +35 °C улітку. Усі перевірки меж порахувала та сама логіка, що працює в нашому калькуляторі стрінгів; цифри генерації — погодинне моделювання на п'яти роках погодних даних PVGIS.

Перш ніж вирішувати, як з'єднувати, відділіть величини, що залежать від напрямку, від тих, що не залежать. Межі безпеки стрінга задають крайнощі — найхолодніший світанок і повне сонце в найспекотніший день, — і кожен схил даху за рік стикається з обома.

Далі стаття проходить таблицю рядок за рядком: як з'єднувати схили, якої довжини може бути кожен стрінг, скільки коштує спільний трекер і наскільки можна перевантажити інвертор.

У послідовному стрінгу через кожну панель тече один і той самий струм. Коли сонце на сході, східні панелі могли б віддати повний струм, а західні, розвернуті від сонця, — лише частку. Стрінг не може працювати на двох струмах одночасно, тож темп задають найслабші панелі:

Байпасні діоди не дають слабким панелям повністю заблокувати стрінг: коли струм перевищує те, що панель може дати, її діоди відкриваються і панель обходиться, — але обійдена панель нічого не додає, а інвертору доводиться шукати найкращий із кількох горбів на кривій потужності. Хоч так, хоч так частина даху постійно працює нижче своїх можливостей.

Ми змоделювали це погодинно на п'яти роках погоди Києва (PVGIS, 2019–2023) з однодіодною моделлю панелі LONGi 650 W. Стрінг із 4 східних + 3 західних панелей дає на 14 % менше енергії, ніж ті самі сім панелей, розділені за напрямком на два трекери; 4 південні + 3 західні втрачають 11,6 %. Це найдорожча помилка з'єднання на даху з кількома схилами — і її не видно в жодній перевірці напруги, бо напруга такого стрінга цілком у нормі.

Трекер MPPT — це незалежний вхід, який шукає найкращу робочу точку для всього, що до нього підключено. Дайте кожному схилу власний трекер, і кожен стежитиме за своїм сонцем: східний стрінг працює найкраще вранці, західний — після обіду, і жоден не тягне іншого вниз. Саме тому інвертор із двома трекерами — природна пара для даху схід–захід.

Наш приклад — пара, яку відвідувачі найчастіше обирали в калькуляторі цього місяця: панель LONGi Hi-MO X10 LR7-72HVH-650M на гібридному інверторі Deye SUN-6K-SG05LP1-EU-AM2-P, двосхилий дах у Києві, по 7 панелей на кожному схилі з нахилом 30°. Розрахункові температури — −25 °C узимку і +35 °C улітку.

Кожен трекер перевіряється окремо, ніби це окремий інвертор. В обох стрінгах по 7 панелей, тож для сходу й заходу цифри однакові:

Усі дев'ять перевірок пройдено. Масив — 14 × 650 W = 9,1 кВт на інверторі 6 кВт: співвідношення DC/AC 1,52, з великим запасом у межах того, на що розрахований гібридний інвертор, і нижче 12 кВт панелей, які Deye дозволяє підключати до цієї моделі. У розширеному режимі калькулятора схема виглядає так:

Та сама арифметика дає діапазон, який приймає кожен трекер: щонайменше 4 панелі (4 × 40,88 V = 163,5 V — вище мінімуму 150 V) і щонайбільше 8 (8 × 59,29 V = 474,3 V — нижче межі 500 V). З 8 панелями калькулятор попереджає: морозного ранку −25 °C 474 V перевищують стелю відстеження 425 V, і інвертор чекає, поки панелі прогріються, перш ніж запуститися, — безпечно, але не безкоштовно. Сім панелей на схил — оптимум для цієї пари, хоча й з невеликим запасом: 415 V проти 425 V.

Кортить подумати, що західний стрінг «ніколи не бачить холодного ранкового сонця», а отже, в нього можна додати панель-другу. Не можна. Напруга холостого ходу залежить від світла лише логарифмічно: в нашій однодіодній моделі панелі LONGi Voc при 100 W/m² — десятій частці повного сонця, розсіяному світлі ясного світанку — усе ще близько 91 % від значення на повному сонці. Західний стрінг морозного ранку перебуває саме в такому світлі.

Решту робить температура. Калькулятор вважає температуру комірок у найхолодніший ранок рівною температурі повітря, бо на світанку панелі ще не встигли прогрітися. Такий момент буває в кожного схилу кожного ясного зимового ранку, тож перевірка максимальної напруги однакова для східних, південних, західних і навіть північних стрінгів.

Спекотний бік — дзеркальний. Західний схил отримує повне сонце в найтепліші години дня, тож улітку після обіду він гарячіший, ніж був східний о 10-й ранку, а його робоча напруга — найнижча на даху. Калькулятор припускає повне сонце за вашої найвищої температури для кожного стрінга — якраз ситуація західного — і перевіряє проти цього мінімум MPPT:

Тут і кусаються маленькі схили. Західне мансардне вікно з місцем на 3 панелі дає спекотного дня 3 × 40,88 V = 122,7 V — нижче мінімуму 150 V, і калькулятор це не пропускає. Варіанти: знайти місце для четвертої панелі, поставити малий схил на мікроінвертор або залишити його порожнім; а приєднати його до стрінга іншого схилу — якраз те, що забороняє правило 1.

Буває, що схилів більше, ніж трекерів: Г-подібний дах зі східним, південним і західним схилами на інверторі з двома трекерами або дах схід–захід на автономному інверторі з одним трекером. Тоді двом схилам доводиться ділити вхід, і питання в тому, скільки це коштує в енергії. Ми прогнали те саме п'ятирічне погодинне моделювання для типових випадків — завжди порівняно з ідеалом «кожному схилу свій трекер»:

Паралельні стрінги однакової довжини майже нічого не втрачають. Напруга максимальної потужності панелі ледве реагує на світло — вона реагує на температуру: при 200 W/m² напруга MPP панелі LONGi все ще 43,8 V проти 44,56 V на повному сонці. Паралельні стрінги мають одну спільну напругу і просто додають струми, тож поки їхні найкращі напруги близькі, трекер нічого не втрачає, обираючи одну. Східний стрінг уранці трохи гарячіший за західний, що зсуває його найкращу напругу на кілька відсотків, — а біля піку крива потужності настільки пласка, що кілька відсотків напруги коштують частку відсотка потужності.

З довжиною інакше. Найкраща напруга стрінга з 6 панелей на сьому частину нижча, ніж у стрінга з 7, — завеликий розрив для пласкої верхівки кривої: 4,3 % річної енергії зникає. І так само зникає для двох стрінгів на одному схилі (4,7 %), бо проблема ніколи не була в напрямку. А змішування напрямків у послідовному стрінгу, 12–14 %, — ще на порядок гірше.

Спільний трекер дешевий в енергії, але дорогий у струмі. Два паралельні стрінги подають свої струми в той самий вхід, а вхід має дві межі: струм, який він може використати, і струм короткого замикання, який він може витримати. Для нашої панелі 650 W:

Тож на SUN-6K схема з трьома схилами — схід і захід паралельно на трекері 1, південь на трекері 2 — несумісна. До того ж його трекери мають по одному роз'єму, тож другий стрінг потребуватиме Y-конектора, а 21 панель (13,65 кВт) перевищує 12 кВт, дозволені паспортом. Якщо задано місце встановлення, калькулятор показує ще одне: під кожною перевіркою струму — «Реалістичний макс.» 25,41 A.

Це реалістичне значення справжнє. Маючи напрямки й місце, калькулятор проводить сонце вашим небом у найдовший день року і знаходить момент, коли стрінги трекера разом дають найбільший струм. Східний і західний схили ніколи не бувають обидва на повному сонці, тож їхній спільний пік — близько полудня — становить 81 % від простої суми. 25,41 A менше за межу КЗ 27 A, а перевірка все одно не проходить. Це навмисно: межа струму КЗ захищає вхідне залізо інвертора, а IEC 62548 розраховує захист на найгірший випадок — край хмари, що піднімає опромінення понад 1000 W/m², сніг, що відбиває світло на обидва схили, аварію. Реалістичне значення — для іншої межі: вхідного струму, перевищення якої коштує лише енергії, як показує наступний приклад. Перевірка безпеки його не читає ніколи.

Рішення — вхід, розрахований на два стрінги. Другий за популярністю інвертор у нашому калькуляторі цього місяця, Deye SUN-8K-SG05LP1-EU-AM2-P, має по два роз'єми на трекер з межами 32 A / 48 A. З двома стрінгами по 6 панелей — один на схід, один на захід — на трекері 1 і південним стрінгом із 7 панелей на трекері 2 проходять усі перевірки: 31,21 A проти 32 A і 48 A, а 12,35 кВт проти межі підключення 16 кВт.

Коли реалістичне значення може вирішувати? Лише для вхідного струму. Понад цей номінал інвертор просто притримує зайвий струм — це коштує енергії, а не заліза, — тож якщо стрінги, що дивляться в різні боки, на спільному піку вміщуються в номінал, нічого не втрачається. Візьмімо третю за популярністю панель цього місяця, LONGi LR8-66HGD-620M, у якої 16,05 A — трохи більше, ніж у нашої: сім панелей на схід і сім на захід паралельно на трекері 1 SUN-8K у найгіршому випадку дають 2 × 16,35 A = 32,7 A, трохи понад вхід 32 A. Їхній реалістичний спільний пік — 26,62 A, тож калькулятор зараховує перевірку й пояснює чому, а оскільки 32,7 A значно нижче межі КЗ 48 A, уся схема сумісна.

Це не самообман. На п'яти роках погодинної погоди Києва така пара на вході 32 A втратила на обмеженні струму 0,000 % енергії — і не втратила б нічого навіть на вході 28 A. Для стрінгів, що дивляться в один бік, такої поблажки немає: два південні стрінги на вході 28 A втрачають близько 0,26 % на рік, і калькулятор лишає попередження.

Наскільки падає спільний струм, залежить від нахилу даху та широти. Що крутіші схили, то рідше сонце освітлює обидва одночасно; що південніше, то вище полуденне сонце і то більше бачать обидва схили. Ось піковий струм пари схід ‖ захід як частка суми двох стрінгів — із того самого розрахунку ясного неба, що його виконує калькулятор:

На стійках 10–15° на пласкому даху східний і західний стрінги разом виходять на 89–94 % суми — практично як два південні стрінги. Лише на крутих дахах зниження стає відчутним, і навіть там це приблизно чверть, а не половина, на яку багато хто розраховує.

Де орієнтація справді допомагає — так це з потужністю інвертора. Два схили виходять на пік з різницею в години, тож масив ніколи не віддає номінальну потужність одночасно. Графік показує ясний червневий день у Києві для нашого прикладу 9,1 кВт поряд із тими самими 14 панелями, розвернутими на південь:

В ідеальний день масив схід–захід виходить на пік 6,9 кВт — лише 76 % номіналу — і має 3,0 кВт·год вище межі 6 кВт AC проти 10,8 кВт·год у південного масиву. Реальні дні туманніші, а реальні системи втрачають потужність у кабелях, пилу й нагріві ще до інвертора, тож за рік різниця ще помітніша. Погодинна генерація PVGIS для Києва, 2019–2023, системні втрати 14 %:

В Україні масив схід–захід може працювати зі співвідношенням DC/AC близько 1,8 і втрачати на обрізанні менше 2 % — менше, ніж південний масив при 1,5. Південний масив і далі дає більше енергії з кожної панелі; зате схід–захід краще використовує кожен кіловат інвертора.

Калькулятор тут лишається консервативним. Його перевірка DC/AC порівнює номінал масиву з потужністю AC інвертора проти фіксованого порогу для кожного типу — 1,5 для мережевих стрінгових інверторів, 2,0 для гібридних — без поправки на орієнтацію, і попереджає, коли масив перевищує PV-вхід, дозволений паспортом. Вважайте цю паспортну межу твердою, хоч який у вас дах: вона від виробника, і від неї залежить гарантія. Орієнтація дає змогу використати запас нижче неї з меншим обрізанням, ніж підказує співвідношення.

Напрямок змінює генерацію значно більше, ніж схема з'єднання. Річна генерація на кВт за PVGIS для трьох українських міст (супутникові дані SARAH3, системні втрати 14 %), у дужках — частка від південного даху під 35°:

Картина однакова від Львова до Одеси: південний схід і південний захід зберігають 93–94 % південної генерації, окремий східний чи західний схил — 78–79 %, пара схід–захід на низьких стійках 15° — близько 83 %. У Києві та Львові схід трохи випереджає захід, бо вранці панелі холодніші, а в Одесі навпаки — захід трохи сильніший.

У розрахунку на панель дах схід–захід слабший. У розрахунку на дах він може бути кращим: на пласкому даху низькі стійки схід–захід стоять спина до спини без проміжків між рядами, які потрібні південним стійкам, щоб не затіняти сусідів, тож на тій самій площі вміщується більше панелей. А генерація розподіляється на весь день — це зручно для домогосподарств, що споживають уранці й увечері.

Калькулятор враховує всі правила вище в розширеному режимі, де кожен трекер MPPT описується окремо. Ось приклад схід–захід крок за кроком.

1. Один стрінг через два схили

   Він проходить усі межі й непомітно коштує 12–14 % річної енергії. Один стрінг — один напрямок.

2. Паралельні стрінги різної довжини

   Два стрінги на одному трекері мають збігатися за кількістю й моделлю панелей; на одну панель менше — близько 4,3 % втрат. Стрінги на різних трекерах можуть відрізнятися як завгодно.

3. Довіра реалістичному струму для межі КЗ

   Два схили разом виходять на пік нижче своєї суми, але межа струму КЗ захищає залізо і розраховується на суму. Калькулятор навмисно тримає цю перевірку на найгіршому випадку.

4. Подовження західного чи північного стрінга

   Voc майже повна вже у світлі світанку, а найморозніший ранок зустрічає кожен схил. Перевірка максимальної напруги однакова для будь-якого напрямку.

5. Окремий стрінг на крихітному схилі

   Три панелі в нашому прикладі дають спекотного дня 122,7 V — нижче мінімуму MPPT 150 V. Додайте панель, поставте мікроінвертор або залиште цей схил порожнім.

6. Інвертор під номінал масиву схід–захід

   Масив схід–захід ніколи не виходить на номінал одночасно, тож менший інвертор обрізає зовсім трохи. Тримайтеся в межах PV-входу з паспорта, а решту зробить орієнтація.