Как работает солнечный кондиционер? Объяснение фотоэлектрических систем, инверторов постоянного тока и гибридной энергии

Что на самом деле происходит, когда солнце попадает на панель

Кондиционер на солнечной энергии не использует солнечный свет для непосредственного охлаждения хладагента, и для начала работы ему не требуется аккумуляторная батарея. Он получает постоянный ток от фотоэлектрической батареи, преобразует его в контролируемое вращательное движение внутри компрессора с регулируемой скоростью и регулирует это движение много раз в секунду, чтобы мощность охлаждения отслеживала доступный в данный момент солнечный свет. Контроллер, инверторный мост, электронный расширительный клапан и вентилятор наружного блока — все они предназначены для поддержки этой передачи энергии.

Три факта объясняют большую часть поведения, которое вы будете наблюдать в полевых условиях. Во-первых, фотоэлектрические модули производят постоянный ток, а инверторный компрессор постоянного тока представляет собой нагрузку постоянного тока, поэтому промежуточный этап преобразования, который выполняет обычный блок с питанием от сети, частично удален. Во-вторых, компрессор — единственный компонент, потребляющий большую часть энергии; вентиляторы и платы управления вместе обычно потребляют менее 10 процентов номинальной потребляемой мощности, поэтому архитектура компрессора определяет поведение всей системы. В-третьих, солнечный свет непостоянен, поэтому каждая практичная конструкция имеет либо второй источник энергии, либо буфер хранения, либо стратегию тепловой массы для преодоления облаков и вечерних часов.

Когда облако покрывает массив, выходная мощность фотоэлектрических систем может упасть на 60 процентов и более в течение нескольких секунд. Устройство, которое работало с холодопроизводительностью 2,8 кВт, может получить только 40 процентов номинальной потребляемой мощности постоянного тока. То, что происходит дальше, отличает зрелую конструкцию от лабораторного прототипа: хорошо подобранный контроллер плавно снижает частоту компрессора, поддерживая температуру испарителя при температуре ниже нуля и комфорт в помещении, вместо того, чтобы срабатывать при пониженном напряжении и перезапускаться.

Практическим следствием является то, что солнечный кондиционер ведет себя скорее как лампа с регулируемой яркостью, чем как выключатель. Выходная мощность масштабируется в зависимости от доступной энергии, а не переключается между полной мощностью и ее отсутствием. Именно поэтому эта технология стала жизнеспособной, когда инверторное управление стало достаточно дешевым, чтобы его можно было встроить в жилой наружный блок.

Четырехэтапный путь силы, этап за этапом

Проследите за энергией от массива на крыше мощностью 6 кВт до внутреннего блока мощностью 12 000 БТЕ, и вы пройдете четыре различных этапа. Каждая ступень имеет свою собственную потерю эффективности и свой собственный признак отказа, поэтому специалисты по техническому обслуживанию должны иметь возможность определить, какая ступень работает неэффективно, только по симптомам.

Обратите внимание, где бы располагалась батарея, если бы она использовалась: после этапа 2, на шине постоянного тока. Удаление батареи не устраняет необходимости управлять этой шиной, поэтому контроллер в гибридном устройстве без батареи несет больше ответственности, чем контроллер заряда в автономной энергосистеме.

DC, AC и гибрид: сравнение трех архитектур

Настенный гибридный кондиционер с солнечной батареей без батарей Настенная сплит-система без батарей со встроенным усилителем MPPT и инвертором, объединяющая солнечную и сетевую энергию для охлаждения и обогрева с помощью инвертора постоянного тока. Посмотреть продукт →

Покупатели часто объединяют три разных продукта под одним названием. Они не взаимозаменяемы, и указание неправильного варианта — самая дорогая ошибка в этой категории.

В гибридной категории ACDC сейчас наблюдается большая часть жилищного спроса, поскольку она отвечает на вопрос, который фактически задают покупатели: что происходит ночью или в течение недели муссонных облаков? Ответ заключается в том, что устройство работает от сети с той же эффективностью, что и обычный инверторный кондиционер, а затем возвращается к приоритету солнечной энергии, как только напряжение батареи восстанавливается. Никакого ручного переключения и вмешательства со стороны пассажира не требуется.

Логика переключения заслуживает тщательного изучения во время спецификации. Надежная конструкция одновременно контролирует напряжение шины постоянного тока, ток массива и потребность компрессора, а затем решает, следует ли смешивать источники или полностью переходить. Устройства, которые просто переключаются на переменный ток всякий раз, когда постоянный ток падает ниже фиксированного порога, в переменную облачность будут колебаться между источниками, и каждый переход нагружает контакторы и инверторный мост. Перед заменой источника поинтересуйтесь диапазоном гистерезиса и минимальным временем выдержки, поскольку эти два числа предсказывают долгосрочную надежность точнее, чем любые заявления в брошюрах.

Выбор конфигурации резервной цепи переменного тока прост, но этим часто пренебрегают. Если агрегат потребляет 1,6 кВт при номинальном охлаждении от сети, схема должна быть рассчитана на эту постоянную нагрузку плюс допуск при запуске, а не на более низкое среднее потребление, которое обеспечивает солнечная энергия в течение дня. Занижение мощности переменного тока, поскольку «большую часть работы выполняет солнце», приводит к неприятным поездкам в сезон дождей.

Почему компрессор — это целая история

Два компрессора с одинаковой производительностью могут вести себя совершенно по-разному на солнечной шине. Разница заключается в том, как приводится в движение двигатель.

Обычный компрессор с фиксированной скоростью запускается через линию, потребляя в пять-семь раз больший рабочий ток за доли секунды. В фотоэлектрической батарее с ограниченным током короткого замыкания этот бросок снижает напряжение на шине и привод отключается. Вместо этого инверторный компрессор постоянного тока увеличивает частоту, начиная с 15 Гц и поднимаясь только настолько быстро, насколько позволяет доступная мощность. Это не уточнение; это благоприятное условие для солнечного охлаждения без использования батарей.

Схема управления имеет значение в нижней части диапазона скоростей. При синусоидальной коммутации на 180 градусов ток в каждой фазе следует плавной синусоиде, поэтому поток в воздушном зазоре вращается равномерно, а крутящий момент остается почти постоянным в течение каждого электрического цикла. В старых 120-градусных схемах фаза без напряжения остается плавающей на 60 градусов, вызывая провалы крутящего момента, которые проявляются вибрацией на частоте от 20 до 30 Гц, именно там, где солнечный блок проводит большую часть своего срока службы. Вибрация ускоряет износ подшипников и ослабляет соединения труб, поэтому детали управления имеют прямые последствия для технического обслуживания.

Полевые измерения при работе с низкой нагрузкой иллюстрируют это. Гибридный блок мощностью 12 000 БТЕ, работающий на частоте 22 Гц и выходной мощности массива 900 Вт, обеспечивает охлаждение примерно 1,1 кВт при температуре конденсации всего на 6 °C выше температуры окружающей среды. Тот же блок, работающий на частоте 60 Гц при питании от сети, обеспечивал охлаждение мощностью 3,4 кВт с температурой конденсации на 14 °C выше температуры окружающей среды. Меньшая подъемная сила на низкой скорости — это не трюк измерения; это термодинамическая награда за соответствие мощности нагрузке.

Защитное поведение дополняет картину. Доминируют три ограничения: минимальное напряжение шины постоянного тока, ниже которого привод прекращает модуляцию, максимальная температура нагнетания, которая вызывает снижение частоты, и минимальная частота возврата масла, которая не позволяет компрессору работать слишком медленно и слишком долго. Хорошо спроектированная прошивка уравновешивает все три, поэтому одно и то же оборудование может работать как плавно, так и нестабильно в зависимости от того, кто написал логику управления.

Определение размеров: сколько фотоэлектрических систем действительно нужно солнечному кондиционеру

Начните с номинальной входной мощности, а не номинальной охлаждающей способности. Гибридный агрегат мощностью 12 000 БТЕ обычно потребляет от 1,0 до 1,4 кВт при номинальных условиях. Разделите это на реальный выход модуля, а затем прибавьте запас на две потери, которые никто не хочет обсуждать: высокую температуру модуля и неидеальный наклон.

Реальный плановый показатель для большинства широт составляет от 75 до 80 процентов номинальной мощности массива при реальной производительности в полдень. Таким образом, для нагрузки в 1,2 кВт требуется примерно от 1,5 до 1,6 кВт пиковой мощности массива для непрерывной работы на полной скорости около солнечного полудня. Поскольку блок модулирует, меньший массив по-прежнему обеспечивает полезное охлаждение в течение большего количества часов в день.

Три переменные сайта меняют эти цифры больше, чем любая спецификация. Наклон и азимут являются самыми большими: крыша, обращенная под углом 40 градусов от идеального азимута, может потерять от 10 до 15 процентов дневной урожайности. Стоимость пыли и загрязнений составляет от 3 до 8 процентов в сухом климате и значительно выше при строительных работах. Потери в кабелях и разъемах добавляют еще 2–3 процента, если длина струн превышает 25 метров.

Не забывайте о вентиляторе внутреннего блока, который в большинстве гибридных конструкций продолжает работать от сети и потребляет от 30 до 60 Вт. Это небольшая цифра, но именно по этой причине на панели мониторинга может показаться, что система «использует электроэнергию из сети даже в полдень».

Чтение показателей эффективности и не обмануться

Адсорбционные и осушающие системы — это совершенно другая технология, использующая солнечное тепло, а не электричество, и о них отдельный разговор. Подавляющее большинство продуктов, продаваемых сегодня, представляют собой фотоэлектрические установки для сжатия пара, которые оцениваются по тем же показателям, что и любой кондиционер.

Рейтинги сезонной эффективности сжимают погоду за весь год в одно число и вводят в заблуждение относительно условий, в которых работают солнечные батареи. Высокий сезонный рейтинг, полученный в бункерах с мягким климатом, мало что говорит вам о полуденной температуре 46 C, когда потери мощности и ток компрессора достигают пика.

• Проверьте номинальную мощность при температуре 43 C или 46 C, а не только в стандартной контрольной точке 35 C. Снижение мощности на 5–10 процентов является нормальным; снижение номинальных характеристик на 25 процентов означает, что конденсатор недостаточного размера.
• Сравните коэффициент полезного действия при частичной нагрузке. Большая часть солнечных часов тратится на от 30 до 70 процентов мощности, так что именно этот регион работы стоит оптимизировать.
• Подтвердите выбор хладагента. R32 и R410A доминируют в настенных гибридных продуктах, а R290 используется в моноблочных тепловых насосах со строгими ограничениями по зарядке. Выбор хладагента влияет на логистику обслуживания и доступность в будущем, а не только на эффективность.
• Уточните диапазон частот компрессора и минимальную мощность охлаждения. Блок, мощность которого не может опускаться ниже 30 процентов от номинала, будет работать в слегка загруженном полудне, теряя преимущество солнечной энергии.

Четыре профиля установки и требования каждого из них

Легкий коммерческий солнечный кассетный кондиционер Потолочный кассетный блок для легких коммерческих помещений, использующий солнечную и сетевую энергию, с компрессором постоянного тока, четырехсторонним воздушным потоком и мониторингом Wi-Fi. Посмотреть продукт →

Одно и то же семейство продуктов ведет себя по-разному в зависимости от того, где оно установлено. Эти четыре профиля охватывают большую часть запросов, поступающих в техническую службу производителя.

Низкотемпературный солнечный гибридный кондиционер переменного/постоянного тока Гибридный солнечный кондиционер R32 с улучшенным впрыском пара и автоматическим переключением переменного/постоянного тока, предназначенный для надежного обогрева и охлаждения в холодном климате. Посмотреть продукт →

В нашей собственной производственной истории переход от солнечных батарей третьего к четвертому поколению сводился к управлению программным обеспечением, а не аппаратным обеспечением. Разработка в 2007 году 180-градусного синусоидального инверторного контроллера постоянного тока дала команде инженеров алгоритмическую основу, которая позже позволила совмещать солнечную энергию с питанием от сети без буфера батареи. С 2020 года устройства, построенные на этой платформе, были отправлены в более чем 20 стран, включая рынки Южной Азии, Ближнего Востока и Австралии, где температура окружающей среды обычно превышает 45 C.

На этом этапе становится видна производственная толерантность. Разница в 2 процента в калибровке инверторного модуля между устройствами приводит к заметно различному поведению при слабом освещении в полевых условиях, поэтому конечные испытания в условиях имитации частичного затенения имеют большее значение, чем каталожные допуски. Подробности процесса производства и испытаний документированы на нашем сайте. страница профиля компании .

Виды отказов, техническое обслуживание и ошибки, которые стоят денег

Солнечные кондиционеры не выходят из строя по-новому. Они выходят из строя обычным образом, чему способствуют два фактора: нестабильный вход постоянного тока и монтажники, которые рассматривают фотоэлектрическую сторону как второстепенную.

1. Отключение при пониженном напряжении во время облачных переходных процессов. Обычно возникает из-за того, что массив слишком мал для настроенного минимального напряжения шины, или из-за недостаточного размера кабеля постоянного тока, что приводит к падению напряжения. Устранение: пересчитать напряжение цепочки при температуре элемента 70 C, а не при стандартных условиях испытаний.
2. Частое переключение источника в пасмурные дни. Признак — дребезг контактора и кратковременные перезапуски компрессора. Устранение: увеличьте диапазон гистерезиса и установите минимальное время задержки в параметрах регулятора.
3. Уменьшение охлаждения при чистом фильтре и нормальной заправке хладагента. Часто загрязненный конденсатор в сочетании с высокой температурой окружающей среды приводит к тому, что температура нагнетания превышает порог снижения номинальных характеристик, поэтому привод ограничивает частоту. Устранение: плановая очистка змеевика и проверка шага лопастей вентилятора.
4. Шум при низкой скорости компрессора. Часто это связано с вибрацией трубок, вызванной остаточными пульсациями крутящего момента, или с монтажным кронштейном, потерявшим изолирующие втулки. Устранение: проверить схему управления и проверить хомуты труб.
5. Преждевременный выход из строя разъема на крыше. Вызвано разнородными металлами и термоциклированием в месте соединения, которое никогда не было обжато с правильным моментом затяжки.

Профилактическое обслуживание солнечной установки добавляет к обычному графику две задачи. Очистку массива следует проводить с учетом местных условий загрязнения, обычно каждые два-четыре месяца в пыльных регионах и реже в регионах с умеренным климатом. Проверку изоляции постоянного тока и моментов затяжки разъемов следует проводить ежегодно, в идеале перед сезоном охлаждения, а не во время него.

Техническое обслуживание на стороне хладагента не изменилось: проверьте перегрев и переохлаждение, убедитесь, что расширительный клапан реагирует на изменения нагрузки, и проверьте, что нагреватель картера компрессора работает перед запуском в холодную погоду. Единственное дополнение, касающееся солнечной энергии, — это обзор зарегистрированных данных о частоте. Компрессор, частота которого никогда не превышает 45 Гц в течение всего лета, указывает на недостаточный размер массива или низкую производительность струны, и эта закономерность не заметна при одном посещении сервисного обслуживания.

Контрольный список технических характеристик перед размещением заказа

Шестнадцать точек данных отделяют работоспособную спецификацию от обнадеживающей. Запросите их в письменной форме, поскольку устные заверения о «работе с солнечной энергией» не несут никакого инженерного содержания.

Два коммерческих вопроса относятся к одному списку. Поинтересуйтесь, как в вашем регионе имеются запасные инверторные модули и платы управления, а также спросите, как выглядит путь обновления прошивки. Кондиционер на солнечной энергии — это продукт силовой электроники в такой же степени, как и холодильный продукт, и модель поддержки должна это отражать.

Часто задаваемые вопросы

Работает ли солнечный кондиционер ночью?

Да, если это гибридная или сетевая модель. После захода солнца устройство подключается к электросети и работает точно так же, как обычный инверторный кондиционер, с тем же КПД. Модели постоянного тока с автономным питанием работают только до тех пор, пока аккумуляторная батарея сохраняет заряд, поэтому работа в ночное время зависит от емкости аккумулятора, а не от самого кондиционера.

Могу ли я запустить солнечный кондиционер без аккумулятора?

Да. Работа без батареи является стандартной конфигурацией гибридных блоков ACDC. Компрессор модулирует свою скорость в соответствии с доступной мощностью массива, а источник питания мгновенно покрывает любой дефицит. Компромисс заключается в том, что мощность охлаждения следует за солнечным светом, а не остается постоянной, что приемлемо для большинства жилых дневных нагрузок, но должно быть запланировано в коммерческих условиях.

Сколько солнечных панелей мне нужно для установки весом 1,5 тонны?

Для гибридного блока мощностью 12 000 БТЕ, потребляющего примерно 1,15 кВт в номинальных условиях, запланируйте 1,5 кВт пиковой мощности для работы на полной скорости в солнечный полдень или около 1,0 кВт пиковой мощности, если вы допускаете пониженную мощность в самые жаркие часы. Четыре модуля мощностью 400 Вт обычно покрывают первый корпус, что позволяет избежать наклона, загрязнения и потерь в кабеле.

Кондиционер продолжает работать во время отключения электроэнергии?

Только если устройство представляет собой автономную модель постоянного тока или если гибридная конструкция включает выделенный изолированный режим с независимым выходом переменного тока. Стандартные гибридные устройства синхронизируются с сетью и остановятся, когда сеть исчезнет, ​​поскольку их резервный путь переменного тока не имеет источника. Покупатели, которым необходима устойчивость к сбоям, должны явно указать это требование, а не предполагать его.

В каком обслуживании нуждается солнечная сторона?

Очистка модуля в случае локального загрязнения, обычно каждые два-четыре месяца в пыльном климате, плюс ежегодная проверка разъемов постоянного тока, уплотнений кабельных вводов и напряжения струны под нагрузкой. Сторона охлаждения следует обычному графику: очистка змеевика, проверка заправки хладагента и проверка момента затяжки электрических соединений.

Стоит ли солнечный кондиционер по сравнению с высокоэффективным обычным агрегатом?

Сравнение зависит от профиля дневной нагрузки и структуры тарифов. Солнечная установка получает свою премию, когда потребность в охлаждении совпадает с сильным излучением, а это именно тогда, когда традиционные установки требуют самого высокого потребления энергии в сети. На рынках с высокими дневными тарифами и длительными сезонами охлаждения период окупаемости обычно короче, чем у аккумуляторной системы хранения с эквивалентными капитальными затратами, и это позволяет полностью избежать циклов замены аккумуляторов.

Какой хладагент мне указать?

R32 в настоящее время является распространенным выбором для настенных гибридных устройств из-за его более низкого потенциала глобального потепления и высокой эффективности зарядки. R410A остается широко доступным и хорошо понятным сервисным сетям. R290 появляется в моноблочных тепловых насосах, где можно соблюдать ограничения по зарядке. Практическим критерием является возможность обслуживания на месте, поскольку хладагент, с которым никто поблизости не может справиться, становится помехой.

Чем солнечный кондиционер отличается от солнечной тепловой системы охлаждения?

Это разные технологии. Солнечное тепловое охлаждение использует процессы абсорбции или осушения с использованием тепла и обычно подходит для крупных коммерческих установок со значительными площадями коллекторов. В фотоэлектрических установках для сжатия пара используются стандартные холодильные компоненты, они доступны в жилых помещениях и могут беспрепятственно переключаться на питание от сети. Для большинства зданий площадью менее 500 м² фотоэлектрический маршрут проще устанавливать и обслуживать.

Что происходит в пасмурный день?

Выход массива быстро колеблется, и компрессор реагирует на это, регулируя частоту, а не останавливаясь. Хорошо настроенный контроллер применяет гистерезис, поэтому устройство не переключает источники питания каждые несколько секунд. Наблюдаемый эффект — это плавное изменение мощности охлаждения, а не серия отключений, при условии, что размер массива выбран правильно и кабель постоянного тока не занижен.

Может ли солнечный кондиционер также обеспечивать обогрев?

Да. Гибридные модели работают как тепловые насосы обратного цикла, потребляя солнечную энергию для отопления в межсезонье и используя электроэнергию зимой. Низкотемпературные варианты расширяют рабочий диапазон примерно до -15 C за счет впрыска хладагента и улучшенного контроля оттаивания, что позволяет использовать один и тот же агрегат в течение всего года, а не одного сезона.

Для читателей, сравнивающих семейства продуктов более подробно, техническая библиотека охватывает как работают разные типы солнечных кондиционеров , включая оконные, кассетные и мультисплитные конфигурации.