Dlaczego potrzebujemy inwertera i jak prawidłowo połączyć z nim panele PV?

Inwerter to niezbędny element niemal każdego systemu PV. Bowiem ogniwa dają prąd stały (jak z baterii), a do zasilania większości domowych urządzeń potrzebujemy prądu przemiennego, czyli takiego samego jak płynący w sieci energetycznej. Ma się rozumieć, że bez udziału inwertera nie będziemy w stanie przekazać wytworzonego prądu do sieci.

Rezygnacja z inwertera i wykorzystanie prądu stałego jest wprawdzie możliwe, ale należy do rzadkości. Można w ten sposób bez problemu zasilać oświetlenie LED, niektóre urządzenia elektroniczne, grzałki do podgrzewania wody. Ale takie rozwiązania stosuje się praktycznie tylko w systemach działających całkowicie poza siecią - w domkach letniskowych czy przyczepach kempingowych. Najczęściej nawet najprostsze systemy przeznaczone tylko do podgrzewania ciepłej wody użytkowej (c.w.u.) wykorzystują typowe grzałki i proste przetwornice prądu.

Jak dobrać inwerter?

Niestety, uzyskanie dokładnie takiego prądu przemiennego jak w sieci nie jest proste. Potrzeba wysokiej jakości sprzętu żeby prąd miał rzeczywiście idealnie sinusoidalny przebieg (tzw. czysty sinus), niezbędny do właściwej pracy urządzeń z silnikami i nowoczesną elektroniką. Znacznie tańsze, proste przetwornice się do tego nie nadają. Inwertery przeznaczone do współpracy z siecią, czyli on-grid oraz hybrydowe, zapewniają przy tym pełną synchronizację parametrów z siecią zewnętrzną.

Inwerter to zawsze znaczny wydatek, nawet na najmniejsze, przeznaczone do instalacji ok. 3 kWp trzeba wydać kilka tysięcy złotych. Po panelach to najdroższy element mikroelektrowni. Mogą być 1-fazowe lub 3-fazowe, przy czym 3-fazowe są droższe nawet przy tej samej mocy. Jednak powyżej 3,7 kW mocy znamionowej dostępne są już tylko urządzenia 3-fazowe.

Moc inwertera trzeba ściśle dopasować do mocy osiąganej przez nasz zestaw paneli. Przewymiarowanie go jest szkodliwe.

Najczęściej używane i najtańsze są falowniki pracujące tylko w trybie on-grid, czyli przy pełnej synchronizacji z siecią, Co ważne, w razie zaniku napięcia w sieci one też się wyłączają. Innymi słowy, w razie awarii sieci nie skorzystamy z prądu z własnej mikroelektrowni. Natomiast inwertery hybrydowe mogą działać zarówno w połączeniu z siecią jak i niezależnie od niej, uniezależniając nas w pewnym stopniu od dostaw energii. Najczęściej korzysta się z nich w połączeniu z magazynem energii. Natomiast falowniki i instalacje typu off-grid, czyli działające wyłącznie bez kontaktu z siecią należą do rzadkości. Wybór konkretnego rozwiązania zależy od tego czemu w ogóle ma służyć nasza instalacja i ile gotowi jesteśmy za nią zapłacić.

Co do wyboru konkretnego falownika, to należy przede wszystkim przestrzec przed ich przewymiarowywaniem, czyli kupowaniem o większej mocy niż moc zainstalowanych paneli. To błąd nie tylko dlatego, że taki falownik będzie droższy. Obniży się też jego sprawność, bo ta zmniejsza się przy niewielkim obciążeniu. Pamiętajmy zaś, że panele przez większość czasu swojej pracy uzyskują moc znacznie mniejszą od teoretycznego maksimum, bo natężenie promieniowania słonecznego jest mniejsze niż w warunkach testowych. Przewymiarowanie zaś jeszcze pogłębia ten problem. Ponadto z czasem moc paneli spada, ubytek wynosi ok. 1% rocznie. Po 10-15 latach tym bardziej będzie widać, że przewymiarowanie inwertera było złym pomysłem. Już lepiej wybrać nieco mniejszy, bo będzie on częściej pracować w warunkach pełniejszego obciążenia prądem.

Amator praktycznie nie jest w stanie ocenić jakości falownika. Tym bardziej, że same dane katalogowe różnych modeli mogą być niemal identyczne. Tak naprawdę pozostaje mu zdać się na renomę producenta i rekomendacje instalatora. Ci z nich, którzy działają w branży od dłuższego czasu faktycznie są w stanie osądzić, czy dane urządzenie się sprawdza i pracuje bezawaryjnie.

Stringi, wejścia MPPT i optymalizatory

W większości instalacji panele łączone są w ciągi nazywane też łańcuchami lub stringami. Zwykle to połączenie szeregowe, czyli takie, w którym napięcie wszystkich paneli się sumuje, a natężenie prądu pozostaje stosunkowo niskie, równe występującemu na poziomie pojedynczego panelu. Taki rozwiązanie umożliwia więc przekazanie do falownika prądu wytworzonego przez nawet kilkanaście paneli za pomocą stosunkowo cienkich przewodów i zachowując łatwość podłączenia (jedno "wejście" inwertera wystarcza na kilkanaście paneli). Budowa układu jest więc dość prosta, a komponenty potrzebne do jego wykonania (przewody, bezpieczniki itd.) są stosunkowo tanie.

W dużych instalacjach trzeba uwzględnić nie tylko to, że paneli jest wiele, lecz również fakt, że są różnie wyeksponowane na słońce. Trzeba więc założyć falownik o większej liczbie wejść MPPT.

Jednak, jak to zwykle w życiu, nie ma rozwiązań idealnych. Największą wadą jest fakt, że przy połączeniu szeregowym wydajność całego łańcucha paneli zależy od jego najsłabszego ogniwa. Uszkodzenie któregoś z nich, czy choćby jego częściowe zacienienie powoduje automatycznie spadek wydajności (uzysku energii) wszystkich paneli w danym stringu do poziomu najmniej wydajnego egzemplarza.

Drugi kłopot to bardzo znaczny wzrost napięcia prądu płynącego przez przewody. Bo o ile jeden panel dawał np. 60 V prądu stałego (DC), to po szeregowym połączeniu 15 z nich otrzymujemy już 900 V. To duża wartość, wymagająca bardzo solidnej izolacji przewodów, szczególnie starannego wykonania wszelkich połączeń, grożąca ciężkim porażeniem i stwarzająca ryzyko pożaru. Dlatego zdecydowanie nie ma co oszczędzać na jakości użytych komponentów (przewody, złącza, bezpieczniki), a tym bardziej na fachowości montażu. To rękojmia naszego bezpieczeństwa.

Wracając jednak do kwestii właściwego działania stringów, trzeba wyjaśnić jak zapobiega stratom mocy wynikającym z nierównomiernego oświetlenia paneli, ich zacienienia lub uszkodzenia. Jeśli moc mikroinstalacji jest bardzo niska, np. 3 kWp, to wystarczy założyć 8-10 paneli. Taką ich liczbę można zmieścić na jednej połaci dachu, żeby wszystkie były tak samo oświetlone, połączyć szeregowo w jeden łańcuch (string) i podłączyć do jednego wejścia falownika. Czyli wszystko prosto i tanio, dzięki temu, że każdy panel pracuje w identycznych warunkach.

Co jednak zrobić, jeśli panele muszą być ułożone na odmiennie zorientowanych połaciach dachu, czy choćby pod różnym kątem? Wówczas potrzebujemy falownika z przynajmniej dwoma wejściami MPPT, czyli umożliwiającymi dopasowanie parametrów pracy falownika do chwilowej charakterystyki pracy oświetlonych z większą lub mniejszą intensywnością paneli. Falownik będzie traktował każdą z grup jako osobny obwód. Nie można przy tym mylić liczby wejść MPPT z samą liczbą wejść do przyłączenia stringów. Inwerter może mieć np. 2 wejścia na stringi lecz tylko jedno wejście MPPT, albo 2 wejścia MPPT i aż 4 wejścia na stringi (2 × 2). Szczególnie w przypadku falowników o większej mocy to często spotykane zjawisko. W tym drugim przypadku możemy mieć np. 4 stringi (np. 2 × 3 kW oraz 2 × 2,5 kW), lecz w ramach każdej z par przyporządkowanych do jednego wejścia MPPT stringi powinny mieć identyczną charakterystykę.

Niestety, w praktyce zdarza się i tak, że nie da się uniknąć choćby okresowego zacienienia niektórych paneli (cień może rzucać komin, lukarna, drzewo). A pamiętajmy, że wystarczy to, żeby zepsuć parametry pracy całego łańcucha. Wówczas straty można ograniczyć stosując tzw. optymalizatory. To urządzenia elektroniczne, w które wyposaża się każdy panel. Ograniczają one straty mocy wynikające z częściowego zacienienia czy nieco odmiennego ustawienia danego panelu. Ponadto dzięki nim można monitorować pracę każdego panelu z osobna i dzięki temu np. wcześnie wykryć ewentualne uszkodzenie. Jednak trzeba podkreślić, że optymalizatory nie zwiększają uzysku energii. One pozwalają zminimalizować ewentualne straty. Jeżeli panele tak samo wyeksponowane na słońce i wolne od zacienienia, to optymalizatory nie przyniosą korzyści. A są to urządzenia dość kosztowne, w cenie kilkuset złotych za sztukę.