Najbardziej widocznym elementem elektrowni słonecznej są moduły fotowoltaiczne. To one bezpośrednio przetwarzają promieniowanie słoneczne na energię elektryczną prądu stałego (ang. direct current, DC). Prąd stały ma swoje dobre strony, np. łatwo daje się magazynować w akumulatorach, jednak najczęstszą formą energii elektrycznej spotykaną na co dzień jest prąd przemienny (ang. alternating current, AC). Jeśli wyprodukowaną energię chcemy wykorzystać bezpośrednio w naszych domowych urządzeniach, należy wprowadzić ją do sieci energetycznej budynku. W tym celu będziemy potrzebować urządzenia, które w odpowiedni sposób przetworzy wejściowy prąd stały na wyjściowy prąd przemienny. Takim urządzeniem jest falownik (ang. inverter). Instalacje fotowoltaiczne wyposażone w falownik umożliwiają wykorzystanie wytworzonego prądu elektrycznego w urządzeniach domowych wymagających prądu przemiennego.
Idea zamiany prądu stałego na prąd przemienny nie jest procesem złożonym. Ale energia wprowadzana do sieci musi spełniać 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 są skomplikowane, a ich proces projektowania i produkcji wymaga ogromnej wiedzy i wielu lat doświadczeń.
Podstawowym elementem falownika są układy wejściowe, do których podłącza się łańcuchy modułów fotowoltaicznych. Inwertery zapewniają bezpieczeństwo instalacji, a także 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 oraz układ sterujący, który zapewnia komunikację ze światem zewnętrznym (np. poprzez wyświetlacz LCD, lub interfejs www).
Ostatnim układem falownika są zabezpieczenia zapewniające wydajną i bezpieczną współpracę z siecią. Jednym z podstawowych zadań falownika jest ciągłe 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 częściej spotykanych 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.
Falowniki można podzielić według kilku podstawowych kryteriów oraz 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 nadaje się do zastosowania z modułami cienkowarstwowymi (z reguły wymagają one uziemienia jednego z biegunów). Najbardziej popularne obecnie modele na rynku, to rodzina falowników Fronius Galvo. Natomiast wraz z upowszechnianiem się modułów polii monokrystalicznych, aktualnie można głównie spotkać rozwiązania falowników, w których transformator nie jest stosowany. Może to zwiększać cenę falownika ze względu na użycie bardziej zaawansowanych układów zabezpieczeń, jednak ostatecznie wpływa 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. Dla większych mocy stosuje się falowniki trójfazowe, a do sieci przyłącza się przy użyciu pięciu przewodów: L1, L2, L3, N i PE. Tutaj wiodącą linią produktową jest rodzina Fronius Symo. Ale nawet falowniki trójfazowe małej mocy wykazują 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 znacznie ograniczają wartość prądu w każdej z faz, co wpływa na stabilność lokalnej sieci. Przykładowo: jeśli falownik o mocy 5 kW (5 kVA) podłączony do 1 fazy może wytwarzać prąd dochodzący do 21,7 A, to równoważny falownik trójfazowy wprowadzi do każdej z faz nie więcej niż 7,2 A, a to bezpośrednio przekłada się na mniejsze wahania napięcia w sieci, niższe przekroje przewodów, itd.
Moc nominalną falownika powinno się określać 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 łatwiejszy proces projektowania w przypadku złożonych instalacji nadachowych, lecz także i wyższa cena falownika.
Sposób montażu: niektóre falowniki dostępne są w wersjach do instalacji na zewnątrz budynków (ang. outdoor). Charakteryzują się one wyższym stopniem ochrony (minimum IP44, zalecany IP65 lub wyższy) i 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.
Kolejnym 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:
Znaczenie sprawności maksymalnej czy ważonej falownika jest jednak często przecenianie. Oczywiście, istotne jest aby te parametry były jak najwyższe. Jednak sprawność falownika nie jest pojedynczą wartością, zależy ona od wartości napięcia wejściowego, czy wartości mocy wejściowej.
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.
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 korzystniejsze, 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.
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 identyczne. 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) to zaawansowany układ śledzenia maksymalnego punktu mocy modułów fotowoltaicznych, który może zwiększyć ilość uzyskanej energii nawet o kilkanaście procent. Wszystkie nowoczesne falowniki mają przynajmniej jeden taki układ, warto więc 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.
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.
dr inż. Maciej Piliński
Fronius Polska Sp. z o.o.
Jesteś zainteresowany podobnymi produktami lub usługami?
Kliknij w wybraną wizytówkę, żeby dowiedzieć się więcej.
