Falowniki w instalacjach fotowoltaicznych

Fotowoltaika to termin kojarzony głównie z panelami fotowoltaicznymi, widywanymi coraz częściej na dachach. Gdyby jednak zapytać specjalistów o najistotniejszy element w całej instalacji fotowoltaicznej, z pewnością nie wskazaliby na ogniwa, ale na falowniki (zwane też inwerterami). Choć stanowią one najtańszy element inwestycji, to warunkują jej prawidłowe działanie i pełnią rolę swoistego mózgu.

Konieczność pojawienia się falowników w instalacjach PV wymogły parametry prądu, jaki wykorzystujemy w naszych domach. Jak wiadomo moduły fotowoltaiczne produkują prąd stały (DC), który doskonale magazynuje się w akumulatorach, ale który wymaga przetworzenia na prąd zmienny AC (50 Hz) przed wpuszczeniem go do sieci w budynku. Właśnie tu pojawiło się pole dla falowników, które dziś spełniają kilka dodatkowych funkcji, nie mniej ważnych od konwersji prądu z DC na AC. Warto przy tym pamiętać, że ich żywotność jest znacznie niższa niż ma to miejsce w przypadku modułów solarnych (średnio około 10 lat), zaś ich montaż odbywa się równocześnie z montażem paneli solarnych i ma z reguły miejsce w niewielkiej od paneli odległości (im bliżej paneli tym lepiej i zawsze w pozycji pionowej). Na współczesne falowniki składają się, w dużym uproszczeniu, takie kluczowe moduły jak: układy wejściowe, układ śledzenia MPPT, układ konwersji napięcia z DC na AC, elektroniczny układ sterowania i komunikacji oraz układ wyjściowy. Każdy z nich spełnia swoje zadanie: układy wejściowe to nic innego jak brama dla prądu DC wpływającego do falownika i zarazem miejsce lokalizacji drugiego z wymienionych układów czyli MPPT.

Układ odpowiadający za zamianę prądu z DC na AC nie wymaga chyba komentarza, natomiast o układzie sterowania i komunikacji warto nieco wspomnieć, gdyż jego rola znacznie wzrosła w ostatniej dekadzie. Dziś jest on już nie tylko prostym podzespołem elektronicznym komunikującym najważniejsze parametry poprzez wyświetlacz LCD, ale wręcz całym mikrokomputerem sprzężonym z lokalną siecią i zapewniającym dwustronną komunikację poprzez np. Wi- Fi, Bluetooth czy inne popularne protokoły i gwarantującym bardzo rozbudowane dane o działalności i stanie całej instalacji PV. Do tego dochodzi inteligentne zarządzanie całościową pracą inwertera i instalacji oraz kształtowanie relacji z lokalną siecią energetyczną, co szczególnie uwidacznia się przy współpracy inwestora-prosumenta z dostawcą energii elektrycznej. Układ wyjściowy – ostatnia ze wspomnianych powyżej podstawowych składowych falownika, to nic innego jak brama wyjściowa dla uzyskanego prądu AC, którego pozostałe parametry poza napięciem, takie jak choćby kształt sinusoidy, zostały uprzednio ukształtowane przez stosowne moduły elektroniczne. W tym układzie znajduje się też moduł bezpieczeństwa dbający o bezpieczną dla falownika i modułów solarnych współpracę z siecią energetyczną funkcjonującą w budynku, co oznacza m.in. ciągłą obserwację napięcia i częstotliwości prądu w sieci oraz rejestrację każdej zmiany tych parametrów i stosowną do tej zmiany reakcję.

Rodzaje inwerterów dla instalacji PV – systematyka falowników

Jeszcze kilka dekad temu pierwsze falowniki były na tyle prostymi urządzeniami, że trudno było stworzyć ich jakąkolwiek systematykę – wszystkie były konstruowane podług podobnego schematu. Z czasem sytuacja bardzo się zdynamizowała, za co odpowiada technologiczny boom i gwałtowny rozwój technik cyfrowych – w efekcie dziś wyróżniamy wiele rodzajów inwerterów stosowanych w instalacjach fotowoltaicznych, definiowanych w oparciu o różne kryteria. W zależności od wielkości instalacji i osiąganych mocy rozróżnia się inwertery 1-fazowe i 3-fazowe. Te pierwsze znajdują zastosowanie w instalacjach o niewielkich mocach i cechują się niższym stopniem wpływania na stabilność sieci, natomiast inwertery 3-fazowe, to urządzenia przeznaczone dla instalacji o średnich lub dużych mocach i pozytywnie wpływające na stabilność lokalnej sieci, co przekłada się m.in. na mniejsze wahania napięcia. Kolejny podział inwerterów dokonywany jest z uwagi na rodzaj zabezpieczenia izolacyjnego między wejściowym napięciem DC, a siecią energetyczną funkcjonującą za układem wyjścia.

Mowa tu o inwerterach transformatorowych i tych, które transformatora są pozbawione. Transformator musi się pojawić w sytuacji, gdy zaistnieje konieczność uziemienia jednego z biegunów instalacji, żeby zapewnić galwaniczną izolację pomiędzy wejściowym napięciem, a siecią zewnętrzną. Natomiast zdecydowanie lepszym, choć droższym rozwiązaniem, są inwertery beztransformatorowe, które zawierają w sobie elektronikę z układami zabezpieczającymi. Powszechnym podziałem z jakim poczatkujący inwestor na pewno się spotka, to podział falowników na centralne i łańcuchowe. Jednak tu sytuacja jest bardzo jasna: falowniki centralne przeznaczone są dla farm słonecznych, dlatego z perspektywy inwestującego w instalację dla domu jednorodzinnego, intersujące są tylko falowniki łańcuchowe. Ich nazwa to pochodna ich sposobu działania, gdyż falowniki współpracują z wieloma szeregami modułów o różnych wielkościach tzw. małych mocy. Z punktu widzenia przyłączenia do sieci publicznej i współpracy z nią, falowniki stosowane w instalacjach PV dzieli się na wyspowe oraz sieciowe. Jak łatwo się domyślić, te drugie oferują przyłączenie do publicznej sieci i synchronizację z nią, jednak nie dają możliwości ładowania opcjonalnych akumulatorów, gdy pojawi się nadprodukcja energii czyli po prostu nadwyżka. Wyspowe natomiast nie synchronizują się z siecią, co oznacza, że nie oddają do niej energii elektrycznej, lecz zamiast tego wyprodukowaną nadwyżkę energii magazynują w akumulatorach. Współczesność wymogła jednak jeszcze jeden typ falowników w tej kategorii, stanowiących hybrydę obu omówionych rodzajów, dlatego coraz częściej w tej systematyce pojawiają się falowniki wyspowo-sieciowe, które jednocześnie współpracują z siecią publiczną i zarazem w przypadku okazjonalnych nadwyżek, są w stanie zmagazynować energię w akumulatorach, czyniąc to wszystko oczywiście pod kontrolą inteligentnej elektroniki.

Poszukiwania sposobów na maksymalne pozyskiwanie energii z promieni słonecznych doprowadziły do powstania jeszcze jednego rodzaju falowników, tzw. mikrofalowników, które współpracują z pojedynczym ogniwem fotowoltaicznym. Wiele wskazuje na to, że mają szansę wyprzeć inwertery centralne, gdyż systemy oparte na nich, przy bardzo podobnych kosztach inwestycyjnych są w stanie wyprodukować nawet o 20% energii więcej, niż gdy ma to miejsce w przypadku zastosowania inwerterów centralnych. Dochodzi tu też aspekt bezpieczeństwa: awaria pojedynczego inwertera ma niewielki wpływ na działanie całej instalacji, co wynika z samej idei rozproszenia inwerterów. Gdy instalacja działa z jednym centralnym falownikiem, jego uszkodzenie oznacza zatrzymanie pracy całego systemu i duże koszty dla inwestora.

Podstawowe zasady doboru falowników

Niezależnie od tego, czy inwestor dobiera falownik do już wiadomych modułów, czy też odwrotnie, relacja między mocą modułów i mocą falownika powinna być teoretycznie taka, żeby był on w stanie obsłużyć od ~ 85 do ~115% mocy instalacji. Problem w tym, że w Polsce instalacje PV prawie w ogóle nie pracują ze swoją nominalną mocą, gdyż uzyskiwana energia zawsze będzie niższa wskutek wielu czynników o charakterze atmosferycznym i wynikających z naszej szerokości geograficznej. Dlatego lepiej oprzeć się na tzw. optymalnej wartości mocy instalacji, która jest bardziej realnym punktem odniesienia przy ocenianiu potrzebnej mocy falownika. Ten sam parametr inwestor powinien wziąć pod uwagę, gdy szacuje minimalną sprawność falownika dla swojej instalacji. Sprawność ta wyliczana jest z ilorazu prądu wyjściowego AC i prądu początkowego DC i choć teoretycznie dobrze jest, jeśli jej wartość osiąga jak najwyższy poziom, w praktyce trzeba pamiętać, że falownik sporadycznie będzie pracował ze swoja maksymalną sprawnością.

Ponadto trzeba mieć świadomość, że w grę wchodzą tu również inne czynniki wpływające na finalną sprawność pozyskiwanej energii, takie jak choćby jakość modułów solarnych, jakość podzespołów z których złożony jest falownik, jakość przewodów do przesyłania prądu, czy też szybkość wyszukiwania i utrzymywania punktu mocy maksymalnej MPPT. Na co więc, w dużym skrócie, zwracać uwagę przy doborze inwerterów i które parametry szacować najuważniej? Praktyka wskazuje, że kluczowymi kryteriami są:
1) jakość produktu, pozycja producenta w rankingu najlepszych renomowanych wytwórców i jakość współpracy z lokalnym dystrybutorem oraz serwisem (w tym odległość do serwisu i szybkość jego reakcji w razie problemów)
2) szybkość wyszukiwania i czas utrzymywania punktu mocy MPPT
3) sprawność falownika przy silnym obciążeniu – niekoniecznie przy maksymalnym w warunkach polskich
4) zakres temperatur w jakich falownik może pracować oraz jego szczelność i odporność na warunki atmosferyczne (zalecany przedział temperatur to od -30ºC do +65ºC) 5) łatwość obsługi i kontroli urządzenia oraz komunikacja z nim. Z tych pięciu punktów dwa wymagają nieco szerszego omówienia: MPPT i komunikacja z falownikiem. Zaczynając od drugiego z nich, należy sobie uzmysłowić – przynajmniej każdy inwestor powinien to zrobić – że kontrola i monitoring parametrów instalacji PV, to rzecz niezwykle istotna, gdyż pozwala to na odpowiednio szybką reakcję w przypadku wszelkich nieprawidłowości.

Dziś coraz częściej dane wyświetlane na panelu LCD inwertera to za mało, gdyż nie pozwalają wychwytywać trendów i drobnych niepożądanych zmian, które kumulując się mogą obniżyć sprawność instalacji i znacznie wydłużyć czas zwrotu kosztów na nią poniesionych. Idealne rozwiązanie to falownik sprzężony z oprogramowaniem (aplikacją) pozwalającym analizować wszystkie zapisane parametry w określonym przedziale czasu, takie jak choćby parametry falownika na wejściu i wyjściu. Z pomocą przychodzi tu oczywiście internet, połączenie z lokalną siecią i zapis zebranych danych na określonym dysku lub w chmurze, gdzie można je przeglądać lub wyciągać z nich statystyki i trendy poprzez wspomniany dedykowany program lub poprzez przeglądarkę www. Pod skrótem MPPT (Maximum Power Point Tracker) kryje się elektroniczny system śledzący maksymalny punkt mocy modułów solarnych, który wpływa na zwiększenie uzysku energii o kilka lub nawet kilkanaście procent – zależnie od producenta i zastosowanego algorytmu. Jego obecność jest konieczna, ponieważ punkt mocy maksymalnej modułów solarnych zmienia się w ciągu dnia m.in. w zależności od nasłonecznienia czyli natężenia promieniowania oraz od temperatury.

Zmienność tych parametrów wpływa na zmiany w prądzie docierającym do falownika i właśnie to powinno być monitorowane przez system MPPT, który śledząc i szybko namierzając nowy punkt MPP powinien natychmiast dopasować się do jego wartości i w ten sposób optymalizować działanie całego systemu. Warto przy tym zauważyć, że skuteczność takich systemów – ich precyzja i szybkość – ma niebagatelny wpływ na uzysk energii oraz że ich ilość powinna w polskich warunkach wynosić z reguły minimum dwa. Z czego wynika ta liczba? – otóż z zasady identycznych łańcuchów modułów przyłączanych na wejściu falowników. Moduły łączy się w łańcuchy dla zwiększenia łącznej wartości napięć i mocy, tak by te wartości były dopasowane do falownika (każdy moduł z osobna jest zbyt słaby), zaś łańcuchy te powinny być identyczne pod każdym względem (ilość, jakość, typ modułów), również z punktu widzenia zlokalizowania na dachu, nachylenia do promieni słonecznych i wystawienia na ich identyczną ilość. Szkopuł w tym, że w polskich warunkach moduły najczęściej znajdują się na różnych połaciach dachu bądź w ciągu dnia częściowo zostają zacienione przez okoliczne drzewa albo też łańcuchy muszą być stworzone z różnych ilości modułów – generalnie niemal zawsze inwestor napotyka na niemożność stworzenia całkowicie identycznych łańcuchów. Wówczas najsensowniejszym wyjściem jest zastosowanie dwóch lub nie raz i trzech systemów MPPT.

Łukasz Lewczuk
Na podstawie materiałów publikowanych m.in. przez:
SMA Solar Technology AG,
Instytut Energetyki Odnawialnej,
Soldar Systemy Solarne,
Fronius Polska Sp. z o.o., Sunsol,
Electricom Engineering Sp. z o.o.,
Free Volt, EcoSolar, Solaris OZE,
IBS Solar, Benq oraz Caldoris Polska
i Solgen Sp. z o.o.