| muratordom.pl » Instalacje » Kolektory, pompy ciepła » Jaki falownik wybrać do instalacji fotowoltaicznej?

Jaki falownik wybrać do instalacji fotowoltaicznej?

Falownik można porównać do serca i centralnego układu nerwowego instalacji fotowoltaicznej. Dlatego tak ważny jest jego prawidłowy wybór, który może zadecydować o technicznym i finansowym powodzeniu całej inwestycji. Cena nie jest tu najważniejszym kryterium. Sprawdź, na jakie parametry należy zwrócić uwagę wybierając falownik.

Tagi: a, Fronius

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).

Jak działa falownik

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 proces ich projektowania i produkcji wymaga ogromnej wiedzy i wielu lat doświadczeń.

Podstawowym elementem falownika są układy wejściowe, do których podłącza się łańcuchy modułów fotowoltaicznych. Układy te 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 falownika 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.

Autor: dr inż. Maciej Piliński

Falownik Fronius przymocowany bezpośrednio do podkonstrukcji modułów.

Klasyfikacja falowników

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 poli- i 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 5kW (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.

Dołącz do nas i bądź na bieżąco

Autor: Fronius

Falownik trójfazowy, bez transformatora o mocy do 8,2 kW.

ZDANIEM EKSPERTA

Częstym błędem popełnianym przez przyszłych właścicieli instalacji fotowoltaicznej, jest kierowanie się kryterium najniższej ceny przy wyborze konstrukcji, modułów, falowników czy zabezpieczeń. Oczywiście, aspekt ekonomiczny jest niezwykle ważny w inwestycji, ponieważ powinna ona przynieść korzyść finansową inwestorowi w najkrótszym możliwym czasie. Niemniej, autor niniejszego artykułu obserwuje tendencje do potaniania instalacji, w których zarówno inwestorzy, jak i firmy instalacyjne, kierują się wyłącznie ceną zakupu, a ignorują tak ważne aspekty jak: jakość, gwarancja (w tym możliwość jej wyegzekwowania!) czy dostępność serwisu przez pełny okres działania elektrowni. A przecież jest to inwestycja, która powinna swojemu właścicielowi służyć bezawaryjnie i generować zyski przez 20-25 lat! Elementy mające znamię „taniości” przynoszą krótkotrwałą radość w chwili zakupu, ale mszczą się w bardzo przykry sposób w kolejnych latach. Niestety, nie na sprzedającym, lecz na inwestorze.

Sprawność falownika

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 (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.

 

Sprawność falownika

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 (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.

Autor: Fronius

Wykres sprawności falownika zależny od mocy i napięcia wejściowego.

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 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.

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 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 o kilka procent 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.

Dobieramy moduły do falownika lub falownik do modułów…

Często można spotkać się z odmiennymi opiniami 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:

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 ich 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. To 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.

Tab 1. Porównanie różnych wariantów doboru modułów do falownika*

Wariant IR < 100% IR = 100% IR = 100% IR > 100%
Falownik 3.0kW Niedociążony Nominalnie Przeciążony np. Symo 3.0-3-S
Liczba modułów 9 11 13
Moc nominalna 1 modułu 280 280 280 [Wp]
Moc maks. modułów PV po stronie DC 2,52 3,08 3,64 [kWp]
Moc maks. po stronie AC 3,0 3,0 3,0 [kVA]
IR 82% 100% 119%
Współczynnik strat związanych z niedopasowaniem 0% 0% 0,3%
Roczne uzyski energii (szacunkowo) 2 567 3 167 3 759 [kWh]
Uzyski energii z mocy DC 1 018,9 1 028,2 1 032,8 [kWh/kWp]
Koszt modułów 7 200 8 800 10 400 PLN
Koszt konstrukcji i montażu 1 800 2 200 2 600 PLN
Koszt falownika 4 000 4 000 4 000 PLN
Łącznie 13 000 15 000 17 000 PLN
Koszt za instalację 1 kWp (DC) 5 158 4 870 4 670 PLN/kWp
Koszt pozyskania 1 kWh w 1 roku 0,506 0,474 0,452 PLN

* wszystkie ceny przykładowe

Zabezpieczenie instalacji

Poprawny dobór zabezpieczeń po stronie DC i AC oraz ochrony przepięciowej jest jednym z ważniejszych etapów procesu projektowania instalacji i należy go powierzyć osobie profesjonalnie zajmującej się projektowaniem, posiadającej 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 takie ważne?

Monitorowanie i kontrola systemów fotowoltaicznych są niezbędne nie tylko do niezawodnego jego funkcjonowania lub informowania o sytuacjach nietypowych, lecz przede wszystkim do uzyskania 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 natychmiast raportowane do osoby odpowiedzialnej za poprawną pracę instalacji, dzięki czemu jakiekolwiek nieprawidłowości w pracy elektrowni mogą zostać 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.

Na portalu Solar.Web na podstawie przykładowych, ogólnodostępnych instalacji można zapoznać się z wszystkimi zaletami monitorowania.

Przykład monitorowania instalacji na portalu Solar.Web (http://www.solarweb.com). Źródło: Fronius

Optymalizatory

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.

Falownik: serwis

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?

Jak wybrać falownik: 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 - serwis,
  • 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.

Przeczytaj dodatkowo:
Pompa ciepła – zalety, koszty, zasady działania...

Dowiedz się, jakie zalety posiada pompa ciepła. Poznaj zasady działania tego typu systemów grzewczych...

Efektywność pracy pomp ciepła – jak je porównać?...

Pompy ciepła należą do ekologicznych i ekonomicznych sposobów ogrzewania. Jednak, aby inwestycja w...

Ile kosztuje instalacja fotowoltaiczna

Instalacja fotowoltaiczna przyda się każdemu, ale nie zawsze jej zastosowanie jest jednakowo opłacalne.

Pompa ciepła plus kocioł gazowy lub rekuperator –...

Pompy ciepła można konfigurować w systemy zawierające również inne urządzenia na przykład kotły...