Очікуваний термін служби фотоелектричних інверторів значно коротший за фотоелектричні модулі. Тому до фінансових витрат ще на початку розробки кожного проекту включено заміну інверторів. В даний час проводяться дослідження причин поломки інверторів з метою збільшення терміну їх експлуатації, але термін роботи інверторів також залежить від конструкції установки.
Іноді біля сонячних електростанцій чути пронизливий свистячий шум, що походить від струнних інверторів, які потребують заміни.
Багато фотоелектричних установок, які були введені в експлуатацію в період з 2006 по 2020 рік, стикаються з проблемами, джерелом яких є не самі модулі, а інвертори, і операторам доводиться змінювати всі інвертори часто ще до закінчення терміну дії пільгового тарифу.
Саме інвертори вважаються "ахіллесовою п'ятою" сонячних електростанцій. Дослідження, проведене Національною лабораторією відновлюваної енергії (NREL) у 2020 році показало, що у США 43% заявок на технічне обслуговування фотоелектричних систем пов'язані з несправністю інверторів, а ще 35% втрат потужності спричинено відмовою інверторів. У тому ж дослідженні говориться, що лише 2% заявок пов'язані з технічними проблемами модулів, які призводять до 1% втрати потужності. Після аналізу цих цифр постає питання: «Чому інвертори є слабкою ланкою? І як можна розробити більш досконалі та довговічні інвертори?»
Термін служби інверторів.
Група фахівців з Бернського університету прикладних наук проаналізувала дані відмов інверторів, отримані від 1280 фотоелектричних систем з 2151 інвертором. У дослідженні були представлені як невеликі приватні системи на дахах, так і великі наземні системи з центральними інверторами. У всіх випадках на половині установок через 15 років було виявлено перші проблеми з інверторами, які призводили до втрат потужності.
Однак було виявлено, що термін експлуатації залежить від місця встановлення та конструкції інверторів. Так потужність інверторів, встановлених у приміщенні, знизилася із 100% до 75% через 13 років. У той же час потужність інверторів, які були розташовані на вулиці та практично не захищені від негоди, скоротилася до аналогічних значень лише через шість-сім років. Це відповідає спостереженням операторів: «свистячі» інвертори часто стоять прямо на сонці». Якщо інвертори встановити під модулями, то вони будуть частково захищені відповідно до параметрів зниження номінальних характеристик, але в спекотні літні дні внутрішні компоненти інверторів все одно будуть зазнавати великого навантаження.
Перепади температури та вологості.
Старіння інверторів залежить від таких факторів довкілля, як сильна спека або висока вологість. Поширеною поломкою силових напівпровідників є від'єднання проводів, спричинене високою температурою. Напівпровідники припаяні до друкованої плати, виготовленої з прошарку міді та кераміки, які при перепадах температури розширюються не однаково. З'єднання, до якого підключений напівпровідник, не витримує термоциклювання і згодом ламається, що може призводити до короткого замикання та іскріння всередині інвертора.
Постійна зміна температури також може призвести до розшаровування кераміки, зниження теплопровідності напівпровідника і, в крайніх випадках, до короткого замикання. Крім того, перепади сприяють деградації силіконових або керамічних ізоляторів у роз'ємі напівпровідника, що призводить до електричного пробою з коротким замиканням, дуговим розрядом і може викликати загоряння.
Як саме вплив довкілля викликає деградацію компонентів, досі цілком незрозуміло. Вивченням цього питання займається Інститут мікроструктури матеріалів та систем імені Фраунгофера у Галлі, або IMWS. У рамках проекту, започаткованого у 2020 році, група вчених працює спільно з виробниками інверторів, включаючи SMA, Electronicon та Merz Schaltgeräte, які надали повернене обладнання та зламані пристрої після експлуатації в реальних умовах.
Деградація інверторів.
Група вчених уважно вивчає дефектні компоненти, а також інвертори, які використовувалися протягом багатьох років або тестувалися на надійність, щоб зрозуміти причини та механізми старіння інверторів. Для визначення механізмів деградації використовуються такі методи, як акустична мікроскопія, що не руйнує, або термографія з фіксацією. Вчені досліджують інвертори з різних кліматичних зон та зіставляють зібрані дані про старіння з параметрами використання у різних умовах довкілля. Так, можна зробити висновки про різні механізми старіння через сильну спеку або високу вологість. Проект спрямований на виявлення причин відмов компонентів з метою розробки досконаліших моделей прогнозування деградації та надійності інверторів.
Чутливість інверторів до вологи.
Плівкові конденсатори особливо погано реагують на вологу, але існують різницю між моделями конденсаторів. Виробники постійно працюють над створенням нових конструкцій корпусів конденсаторів та систем герметизації. Однак всі інші компоненти також схильні до деградації: дроселі, друковані плати, силові напівпровідники і т.д.
Відмова транзисторів або IGBT [біполярних транзисторів із ізольованим затвором] спостерігається набагато рідше. Збої внаслідок їх відмов варіюються від самовиключень, що повторюються, і втрати потужності до проблем з конденсаторами.
Зазвичай з ладу виходять конденсатори та комунікаційне обладнання. Певні закономірності можна виявити у конкретних виробників та простежити чітку закономірність залежно від року випуску, що допомагає усунути конкретні проблеми. Також враховуються номери партій: якщо дати виробництва одного й того типу інвертора сильно відрізняються одна від одної, цілком можливо, що виробник використовував різних постачальників, і характер помилок змінюється.
Тому, щоб убезпечити себе в процесі покупки інверторів або оцінки ризику встановлення, покупцям рекомендується вивчити специфікацію інверторів. Сьогодні на ринку представлені інвертори з високою надійністю та 20-річною гарантією, а також резистивні конденсатори.
Численні відмови.
Струнні та центральні інвертори мають різні режими відмов. Струнні інвертори мають у 30 разів більше компонентів, ніж центральні, тому ймовірність їх відмов набагато вища. Крім того, інвертори з більш високим перетворенням потужності сьогодні компактніші, тому до них пред'являються набагато більше вимог. В даний час установка струнних інверторів потужністю 150 і більше кіловат виконується двома співробітниками без використання допоміжного крана.
Проблема вищої питомої потужності полягає у розсіюванні тепла. Тому окремо аналізуються дані, надані сервісним центром доступу до різних датчиків температури в інверторі. Майже всі силові напівпровідникові модулі мають інтегровані датчики. Але не всі виробники інверторів забезпечують кінцевим споживачам доступ до цих даних, які можуть бути використані для прогнозування відмови або прикордонної роботи IGBT.
Конструкція та архітектура.
На термін служби інверторів впливає як конструкція, а й спосіб установки. Це можна добре розглянути на прикладі однієї фотоелектричної станції, де було встановлено 270 інверторів, кожен потужність всього 9 кВт. Але при 1% відмов на цій станції доводилося замінювати обладнання кілька разів на рік, хоча навіть трохи потужніші пристрої дозволили значно скоротити кількість компонентів.
Термін служби центральних інверторів набагато більший, але при цьому вони вимагають ретельного технічного обслуговування, оскільки оснащені складними системами вентиляції. Внутрішній простір центральних інверторів продуманий до дрібниць, тому вони рідко перегріваються. Захищений простір також підвищує термін служби інвертора. Аналогічні умови забезпечує своєрідний захисний корпус для інверторів.
Скорочення терміну служби інверторів, як не дивно, сприяє широко поширена сьогодні оптимізація витрат. Якщо генератор постійного струму піддається перевантаженню на 40-45%, то системі спостерігатимуться частіші збої у роботі, ніж у системах, де перевантаження становить лише 10-15%. Наприклад, автомобіль, який експлуатується зі швидкістю 220 км/год, зламається швидше, ніж той, що пересувається з комфортною швидкістю 120 км/год.
Компроміс ефективності.
Виробники можуть виготовляти ширші силові напівпровідники, що запобігатиме від'єднанню проводів, але такі пристрої будуть дорожчі і менш ефективні.
Багато недоліків виникають через спроби оптимізувати витрати на етапі розробки проекту. Наприклад, вдвічі скоротити кабельні лінії, використовуючи Y-подібний роз'єм, щоб підключити дві лінії до одного входу MPPT. У деяких специфікаціях виробника вказано, що такий спосіб установки "вважається прийнятним", але на практиці виявилося, що такі пристрої часто виходили з ладу, а коли Y-подібні роз'єми замінили, кількість збоїв зменшилася. Тому рекомендується ретельно розраховувати баланс між будівельними та експлуатаційними витратами на етапі проектування. Економія кількох метрів кабелю не виправдається, якщо очікуваний термін експлуатації пристрою становить від 20 до 30 років, особливо з урахуванням передбачуваних витрат на ремонт або заміну інверторів.
Очікуваний термін експлуатації.
Визначити точно термін експлуатації неможливо. Виробники готові випускати компоненти з терміном служби від 15 до 20 років, але при проектуванні інверторів вони постійно шукають баланс між міцним, надійним і дорогим продуктом. Тому припущення про те, що інвертор прослужить 10-15 років, нереально, але в той же час, якщо всі так припускатимуть, то у виробників не буде стимулу для виробництва більш міцної та довговічної продукції.
З іншого боку, виробники протягом багатьох років зазначають, що «проектувальники надто зациклені на витратах і тому відмовляються від якісніших компонентів». І все ж таки галузь постійно рухається вперед: 15 років тому інвертор змінювали через кожні п'ять років, а гарантійний термін служби сучасних пристроїв сьогодні понад десять років.
В даний час енергетична галузь висуває підвищені вимоги до надійності компонентів, що стимулює розвиток виробничих технологій. Тому очікується, що конкурентоспроможні інвертори, термін експлуатації яких становить понад 30 років, скоро з'являться над ринком.