Wybieramy falownik do instalacji fotowoltaicznej

Moduły fotowoltaiczne to najbardziej widoczny element elektrowni słonecznej. Moduły bezpośrednio przekształcają promieniowanie słoneczne na energię elektryczną prądu stałego (ang. direct current, DC). Prąd stały ma swoje dobre strony, jedną z nich jest łatwe magazynowanie w akumulatorach, jednak najczęstszą formą energii elektrycznej spotykaną na co dzień jest prąd przemienny (ang. alternating current, AC). Jeśli wyprodukowaną energię chcemy użyć bezpośrednio w naszych domowych urządzeniach, należy wprowadzić ją do sieci energetycznej budynku. W tym celu potrzebne będzie urządzenie, które w odpowiedni sposób przetworzy wejściowy prąd stały na wyjściowy prąd przemienny. Właśnie takim urządzeniem jest falownik (ang. inverter).

Sposób działania falownika

Idea zamiany prądu stałego na prąd przemienny nie jest procesem złożonym. Ale wprowadzana do sieci energia musi gwarantować wysokie wymagania jakościowe, np. przebiegi wytwarzanego napięcia powinny być sinusoidalne i idealnie zsynchronizowane z parametrami sieci, a sam falownik powinien zapewniać maksymalne bezpieczeństwo użytkownika, modułów fotowoltaicznych i sieci energetycznej. Dlatego urządzenia te nie są proste, a proces ich projektowania oraz produkcji wymaga ogromnej wiedzy i wielu lat doświadczeń.

Podstawowym elementem falownika są układy wejściowe, do których podłącza się łańcuchy modułów fotowoltaicznych. Układy te gwarantują bezpieczeństwo instalacji oraz zawierają układ śledzenia maksymalnego punktu pracy modułów (ang. maximum power point tracking, MPPT), który szczegółowo opisano w dalszej części artykułu. Kolejnymi elementami są: układ przetwarzający napięcie stałe na napięcie przemienne i układ sterujący, który zapewnia komunikację ze światem zewnętrznym (np. poprzez wyświetlacz LCD, lub interfejs WWW).

Ostatnim układem falownika są zabezpieczenia oferujące wydajną i bezpieczną współpracę z siecią. Jednym z podstawowych zadań falownika jest nieustanne monitorowanie parametrów sieci, takich jak napięcie i częstotliwość oraz odpowiednie reagowanie na ich zmiany, a w przypadku gdy wartości tych parametrów znajdą się poza dopuszczalnym zakresem - odłączenie falownika od sieci. Jednym z podstawowych pytań od przyszłych właścicieli instalacji PV jest możliwość pracy falownika przy zaniku zasilania po stronie Operatora Systemu Energetycznego, czyli tzw. praca wyspowa falownika (ang. off-grid). Jest to możliwe w przypadku niektórych modeli falowników (np. Fronius Symo Hybrid), ale wymaga dodatkowych urządzeń separujących instalację fotowoltaiczną od sieci energetycznej poza budynkiem, tak aby falownik nie stanowił zagrożenia np. dla ekip pracujących przy usuwaniu awarii sieci.

Według jakich kryteriów dzielimy falowniki?

Falowniki można podzielić według kilku podstawowych kryteriów i parametrów. Pierwszym z nich jest wewnętrzny transformator - możliwy jest więc podział na falowniki z transformatorem i bez wbudowanego transformatora. Transformator zapewnia galwaniczną izolację pomiędzy stałym napięciem wejściowym a siecią energetyczną, dlatego jest odpowiedni do zastosowania z modułami cienkowarstwowymi (z reguły wymagają one uziemienia jednego z biegunów).

Obecnie najbardziej popularnymi modelami na rynku jest rodzina falowników Fronius Galvo. Natomiast wraz z upowszechnianiem się modułów poli- i monokrystalicznych, głównie spotykamy rozwiązania falowników, w których transformator nie jest stosowany. Może to podnieść cenę falownika ze względu na użycie bardziej zaawansowanych układów zabezpieczeń, jednak ostatecznie ma wpływ na większą sprawność falownika przy mniejszej wadze i wymiarach.
Kolejny parametr to liczba faz, do których przyłącza się falownik.

Małe moce (do kilku kilowatów) występują w wersji jednofazowej, przyłączenie do sieci następuje wówczas za pomocą trzech przewodów: L, N i PE. Przykładem takich falowników jest rodzina Fronius Primo. W przypadku większych mocy stosuje się falowniki trójfazowe, a do sieci przyłącza się przy użyciu pięciu przewodów: L1, L2, L3, N i PE. Tutaj przodujacą linią produktową jest rodzina Fronius Symo. Ale nawet falowniki trójfazowe małej mocy mają sporo zalet w porównaniu do ich odpowiedników jednofazowych: równomiernie wprowadzają energię do każdej z faz, co jest zgodne z ideą równomiernego rozłożenia obciążeń w budynku pomiędzy fazami.

Ponadto istotnie ograniczają wartość prądu w każdej z faz, co ma wpływ na stabilność lokalnej sieci. Przykładowo: jeśli falownik o mocy 5 kW (5kVA) podłączony do 1 fazy może wytwarzać prąd dochodzący do 21.7A, to równoważny falownik trójfazowy wprowadzi do każdej z faz nie więcej niż 7.2A, a to bezpośrednio przekłada się na mniejsze wahania napięcia w sieci, niższe przekroje przewodów, itd.

Moc nominalną falownika powinno się precyzować jako moc, którą może on oddać do sieci energetycznej po stronie zmiennoprądowej; można ją też nazwać mocą wyjściową. W mikroinstalacji nadachowej lub naziemnej najczęściej stosuje się małe falowniki o mocy od 1,5 do 20 kW. Natomiast łącząc kilka, a nawet kilkadziesiąt takich falowników w jednej instalacji, można uzyskać wartości mocy dochodzące nawet do kilku MW. Liczba urządzeń MPPT powinna wynosić przynajmniej jeden. Więcej urządzeń MPPT w falowniku to nie tylko prostszy proces projektowania w przypadku złożonych instalacji nadachowych, lecz również i wyższa cena falownika.

Sposób montażu: niektóre falowniki można dostać w wersjach do instalacji na zewnątrz budynków (ang. outdoor). Charakteryzują się one wyższym stopniem ochrony (minimum IP44, zalecany IP65 lub wyższy) oraz podwyższoną tolerancją na szeroki zakres temperatur pracy. Zaletą takich falowników jest możliwość umieszczenia ich bezpośrednio na podkonstrukcji modułów PV lub na zewnętrznej ścianie budynku, co ułatwia montaż, często skraca długości przewodów, eliminuje koszt budowy specjalnego pomieszczenia i ułatwia serwis.

Znaczenie sprawności falownika

Kolejnym ważnym parametrem jest sprawność falownika (η), wyrażona stosunkiem skutecznej elektrycznej mocy wyjściowej prądu AC falownika do elektrycznej mocy wejściowej prądu DC, oraz jego znormalizowana postać (sprawność euro-η znana też jako ważona sprawność europejska). Sprawność urządzenia fotowoltaicznego, w tym wypadku falownika, określana jest wzorem: η=(moc wyjściowa P_AC)/(moc wejściowa P_DC ).

Znaczenie sprawności maksymalnej czy ważonej falownika jest jednak często przecenianie. Oczywiście, ważne jest aby te parametry były jak najwyższe. Jednak sprawność falownika nie jest pojedynczą wartością, zależy ona od wartości napięcia wejściowego, czy wartości mocy wejściowej (czerwona linia na rys. 2). Falownik rzadko kiedy będzie pracował ze swoją maksymalną sprawnością, dlatego na końcowe uzyski energii wpływ ma o wiele więcej parametrów, np. jakość i szybkość adaptacji urządzenia MPPT. Wybierając falownik ze sprawnością o 0,2% wyższą, wcale nie gwarantujemy sobie wyższych uzysków.

Wykres sprawności falownika zależny od mocy i napięcia wejściowego. Źródło: Fronius

Falownik z chłodzeniem, czy bez?

Każde urządzenie elektroniczne przetwarzające energię generuje pewne straty, a te oddawane są w formie ciepła – czyli w trakcie normalnej pracy falownik będzie się po prostu nagrzewał. Rozwiązania, w których falownik jest chłodzony wyłącznie w sposób naturalnej konwekcji powietrza, mogą być uznane za lepsze, ze względu na brak elementu mechanicznego, jakim jest wentylator. Doświadczeni producenci falowników decydują się jednak na stosowanie wymuszonego, najczęściej płynnie regulowanego przepływu powietrza: elementy elektroniczne, które są właściwie chłodzone, mają lepsze warunki pracy, a co za tym idzie: dłuższą żywotność.

Do czego służy MPPT?

Pojedyncze moduły mają zbyt małe wartości napięć i mocy, aby mogły z powodzeniem zasilać zwykłe falowniki. Dlatego moduły łączy się szeregowo w łańcuchy (ang. strings), co pozwala sumować wartości napięć poszczególnych modułów i dopasować je do danego typu falownika. Wartość prądu dla wszystkich modułów jest – w przypadku łączenia szeregowego – taka sama. Według podstawowych zasady projektowania instalacji PV, wszystkie moduły tworzące łańcuch powinny być takie same. Oznacza to, że powinny nie tylko pochodzić od jednego producenta, być tego samego typu i mieć tę samą moc znamionową, lecz także być podobnie zlokalizowane, montowane, nachylone względem słońca i ustawione pod tym samym azymutem (czyli np. na tej samej połaci dachu).

MPPT (ang. Maximum Power Point Tracker) jest zaawansowanym układem śledzenia maksymalnego punktu mocy modułów fotowoltaicznych, który może zwiększyć ilość uzyskanej energii nawet o kilkanaście procent. Wszystkie nowoczesne falowniki mają przynajmniej jeden taki układ i warto wiedzieć, do czego on służy. Moduły fotowoltaiczne nie mają ustalonego punktu mocy maksymalnej (MPP). Zmienia się on w zależności od natężenia promieniowania i temperatury, ponieważ zmienia się kształt tzw. charakterystyki prądowo-napięciowej.

Zadaniem układu MPPT jest śledzenie tego punktu i jak najszybsze dopasowanie się do jego nowej wartości. Najbardziej zaawansowane układy MPP potrafią wyszukiwać globalny punkt mocy maksymalnej w przypadku łańcucha modułów częściowo zacienionych, oferując kilku-procentowo większe uzyski energii. Algorytmy takie noszą różne nazwy, w zależności od producenta falowników, np. w przypadku falowników firmy Fronius jest to Dynamic Peak Manager. Tak naprawdę to dokładność i szybkość działania układu MPPT gwarantuje największe uzysków energii, o wiele bardziej niż sprawność falownika, dlatego układ ten jest tak istotny.

Poradnik

Cenisz nasze porady? Możesz otrzymywać najnowsze w każdy czwartek!

Dołącz do naszej listy i odbierz darmowy magazyn ABC Budowania

Cenisz nasze porady? Możesz otrzymywać najnowsze w każdy czwartek!

Zapisz się

Dołącz do naszej listy i odbierz darmowy magazyn ABC Budowania

A w jakim celu stosuje się dwa urządzenia MPPT w jednym falowniku? Otóż, jeżeli z jakiegoś powodu nie można przyłączyć identycznych łańcuchów do wejścia falownika, np. liczby modułów w łańcuchach są różne lub moduły znajdują się na różnych połaciach dachu, wówczas każdy z takich łańcuchów można przyłączyć do osobnego urządzenia MPPT.

Dobieramy moduły do falownika lub falownik do modułów…

Często można spotkać się z odmiennymi zdaniami na temat relacji mocy modułów do mocy nominalnej falowników. Aby przeanalizować te przypadki, wprowadźmy definicję współczynnika mocy falownika (ang. inverter ratio, IR). Wzór na obliczenie tego współczynnika można zapisać:
współczynnik mocy falownika IR=  (moc pola modułów [Wp])/(maksymalna moc AC falownika [W])∙sprawność falownika [%]

Możliwe są tu trzy warianty:

• IR < 100%, falownik niedociążony,
• IR = 100%, falownik obciążony mocą nominalną,
• IR > 100%, falownik przeciążony po stronie DC,

tj. gdy odpowiednio: moc nominalna modułów jest mniejsza, równa lub większa niż moc nominalna falownika

Dla szerokości geograficznej Polski i Europy Centralnej przyjmuje się, że wartość IR powinna znajdować się w przedziale pomiędzy 80 a 125%, natomiast dokładny zakres oblicza się w zależności od specyficznych danych konkretnej instalacji PV. Optymalna wartość zależy głównie od lokalizacji, rodzaju i orientacji modułów fotowoltaicznych oraz ich sposobu połączenia z falownikiem.

Dlaczego jednak zalecaną przez projektantów wartością jest górna granica, tj. gdy moc modułów jest np. o 25% większa od mocy nominalnej falownika? Takie podejście na pierwszy rzut oka kłóci się z zasadą, w której układy przetwarzające energię z generatorów projektuje się powyżej ich mocy nominalnej, czyli wypadałoby mieć IR < 100%?

Instalacje fotowoltaiczne projektuje się zupełnie inaczej. Jeśli w szerokości geograficznej Polski moduły PV wytwarzają energię z mocą nominalną zaledwie przez kilkanaście, kilkadziesiąt godzin w roku, to w pozostałych okresach osiągana przez nie moc jest znacznie niższa. Jeśli zatem moc modułów będzie równa mocy falownika, to większą część czasu nie będzie on pracował z mocą nominalną, lecz mniejszą co bezpośrednio przekłada się na uzyskiwane sprawności konwersji.

Efekt ten będzie jeszcze lepiej widoczny, gdy moc modułów będzie mniejsza niż moc nominalna falownika (IR < 100%).
Co się jednak stanie, gdy moc modułów będzie większa niż moc nominalna falownika, a warunki pogodowe będą sprzyjać generacji energii? Falownik nie będzie przetwarzał więcej energii niż wynosi jego moc maksymalna, a jej nadmiar nie będzie odbierany z modułów (nastąpi ograniczenie mocy wyjściowej). Statystycznie jednak korzystniejsze jest optymalne wytwarzanie energii przez większą część roku, niż ograniczenia w przetwarzaniu energii w pojedyncze dni, a nawet godziny.

Dokonując obliczenia każdego wariantu doboru różnej ilości modułów PV do falownika tego samej mocy, największe uzyski energii otrzymamy dla największej liczby modułów (por. Tab. 1). Nie mniej istotny jest aspekt finansowy. W każdym z wariantów falownik stanowi identyczny koszt, co powoduje, że wariant IR > 100% jest po prostu najbardziej ekonomicznie uzasadniony.

 Porównanie różnych wariantów doboru modułów do falownika, wszystkie ceny przykładowe

Odpowiednie zabezpieczenie instalacji

Poprawny dobór zabezpieczeń po stronie DC i AC oraz ochrony przepięciowej jest jednym z istotniejszych etapów procesu projektowania instalacji i należy go powierzyć osobie profesjonalnie zajmującej się projektowaniem, majacej odpowiednią wiedzę i uprawnienia. Należy tu jednak przestrzec przed źle rozumianą oszczędnością: oferty na wykonanie elektrowni fotowoltaicznej bez elementów zabezpieczeń będą oczywiście tańsze w momencie zakupu, ale w perspektywie 20-25 lat działania elektrowni mogą narazić właściciela na nieplanowane straty finansowe.

Monitorowanie instalacji PV - dlaczego jest tak ważne?

Monitorowanie i kontrola systemów fotowoltaicznych są potrzebne nie tylko do niezawodnego jego funkcjonowania lub informowania o sytuacjach nietypowych, lecz przede wszystkim do otrzymania maksymalnej wydajności takiego systemu. Najprostszym sposobem monitorowania pracy falownika jest odczytywanie wartości na wyświetlaczu (zazwyczaj LCD), który jest elementem prawie każdego falownika dostępnego na rynku. Do bardziej zaawansowanego monitoringu, w tym rejestracji parametrów wejściowych i wyjściowych falownika (m.in. moce, napięcia i prądy), zalecane jest stosowanie zaawansowanych układów zwanych Datamanager’ami.

Dane w takich układach mogą być rejestrowane, przechowywane i prezentowane przez wyspecjalizowane oprogramowanie, dostępne w formie dedykowanej strony internetowej. Przewodowe połączenie Ethernet lub bezprzewodowe połączenia Wi-Fi są coraz częściej oferowane jako standardowe wyposażenie falowników, a przoduje w tej dziedzinie firma Fronius. Dysponując połączeniem internetowym, możemy te dane zdalnie analizować na bieżąco, a w razie konieczności archiwizować i kontrolować pracę instalacji w dłuższym okresie czasu. Dzięki temu na dedykowanej stronie internetowej udostępnionej właścicielowi instalacji możemy analizować dzienne, miesięczne czy roczne profile produkcji energii oraz generować odpowiednie raporty.

Szczególnie interesujące jest wykorzystanie dodatkowego układu pomiarowego (inteligentnego licznika energii Fronius Smart Meter), który mierząc zużycie energii przez odbiorniki zainstalowane w budynku pozwala porównywać profil produkcji w instalacji fotowoltaicznej z profilem zużycia energii budynku. Pozwala to łatwo obliczyć stopień wykorzystania energii na potrzeby własne, a także korzyści finansowe wynikające z zainstalowania elektrowni słonecznej. Popularną funkcją jest również prezentowanie innych danych związanych z produkcją energii z elektrowni PV, w tym np. redukcji emisji CO2.

Monitorowanie ważne jest również z punktu widzenia bieżącej obsługi technicznej i serwisu. Wszelkie niepokojące zdarzenia mogą być orazu raportowane do osoby odpowiedzialnej za poprawną pracę instalacji, dzięki czemu jakiekolwiek nieprawidłowości w pracy elektrowni będą niezwłocznie zlokalizowane i - w razie takiej konieczności - usunięte. Czas i precyzja jest tu pożądana, ponieważ każdy dzień wyłączenia instalacji z pracy to wymierne straty dla inwestora. Wszystkich zainteresowanych odsyłamy do portalu internetowego Solar.Web (https://www.solarweb.com), gdzie na podstawie przykładowych, ogólnodostępnych instalacji można zapoznać się z wszystkimi zaletami monitorowania.

Zalety optymalizatorów

Od czasu do czasu można spotkać się z ofertami na systemy fotowoltaiczne z tzw. optymalizatorami (ang. optimizers). Niestety utarło się przekonanie, że mogą one stanowić rozwiązanie wszelkich problemów na instalacji, głównie polegających na jej zacienieniu. Wbrew obiegowym opiniom, optymalizatory nie są jednak w stanie zakrzywić praw fizyki: zacieniona instalacja zawsze będzie wytwarzać mniej energii, niż równoważna - niezacieniona. Są jednak aplikacje, w których optymalizatory mogą wykazać swoje zalety, a przykładem mogą być skomplikowane konstrukcyjnie dachy, które składają się z kilkunastu małych, zorientowanych na różne strony świata połaci (np. baszta).

Instalatorzy systemów PV coraz częściej będą napotykali na różne utrudnienia - wraz z upowszechnianiem się fotowoltaiki dachy o idealnym ustawieniu i bez zacienienia będą stopniowo zabudowywane. Dlatego pod uwagę będą brane dachy o różnych orientacjach lub częściowym zacienieniu, a takie instalacje muszą być poddawane krytycznej analizie. Dlatego, zdaniem autora, moduły fotowoltaiczne będą w przyszłości inteligentne. Ale dotychczasowe rozwiązania, np. w postaci zamkniętych rozwiązań wymuszających stosowanie optymalizatorów i falowników tego samego producenta, będą wypierane przez bardziej uniwersalne, otwarte rozwiązania, np. w formie modułów fotowoltaicznych, które optymalizatory będą miały  zintegrowane już na etapie produkcji.

Nie zapominajmy o serwisie

Ostatnim ważnym elementem, którym należy się kierować przy wyborze producenta falownika jest lokalne wsparcie i serwis oraz dostępność certyfikatów i dokumentacji w języku polskim. Oczywiście nikomu nie życzymy, aby musiał osobiście weryfikować jakość obsługi technicznej producenta, ale czyniąc odwołanie do rynku motoryzacyjnego: czy ktokolwiek zakupiłby samochód, którego najbliższy serwis znajduje się na innym kontynencie?

Podsumowanie: decydując się na wybór producenta i typu falownika, oprócz ceny, powinniśmy zwrócić uwagę na nie mniej istotne elementy:

• szybkie wyszukiwanie i utrzymanie punktu mocy maksymalnej MPP,
• wysoka sprawność zwłaszcza przy częściowym obciążeniu,
• wysoka niezawodność,
• wysoki stopień ochrony, min. IP65, dzięki solidnej obudowie,
• duży zakres temperatur pracy (od -25°C do +60°C),
• łatwość, szybkość i wygoda instalacji, a co za tym idzie: serwisu,
• łatwa kontrola działania urządzenia poprzez zdalny monitoring, szczegółowe monitorowanie urządzenia, diagnostyka usterek,
• zgodność z obowiązującymi normami i przepisami,
• pełna dokumentacja dostępna w języku polskim,
• lokalny serwis w kraju.

źródło i zdjęcie: Fronius