System fotowoltaiczny: falowniki, akumulatory, regulatory ładowania. Wybieramy dodatkowe urządzenia
Panel fotowoltaiczny po wyprodukowaniu jest od razu gotowy do działania, ale żeby mieć z niego pożytek, tworzy się system fotowoltaiczny złożony z jeszcze innych ważnych elementów, tj. falowniki, akumulatory, regulatory ładowania.
Prąd stały powstający w fotoogniwach nie nadaje się do zasilania domowych urządzeń, a tym bardziej do przesyłania energii do sieci, dopóki nie zostanie przetworzony na przemienny o częstotliwości 50 Hz i napięciu nominalnym 230 V. Do tego służą falowniki często nazywane inwerterami. Natomiast w instalacjach niewspółpracujących z siecią (off-grid), są jeszcze potrzebne akumulatory i urządzenie do regulacji ich ładowania.
Falowniki w systemie fotowoltaicznym
Dobór odpowiedniego falownika to oczywiście zadanie projektanta systemu, ale jeśli trzeba zdecydować, czy kupić tańszy, czy droższy, to dobrze jest wiedzieć, czym się różnią. Te umożliwiające współpracę domowego generatora prądu z siecią elektroenergetyczną muszą być wysokiej klasy, żeby nie zakłócały jej działania – wymagania dla nich określają zakłady energetyczne. Falowniki przeznaczone do mikroinstalacji fotowoltaicznych są nazywane łańcuchowymi (spotyka się też określenie inwertery stringowe), bo do ich układów wejściowych podłącza się tak zwane łańcuchy (ciągi) paneli połączonych ze sobą szeregowo.
Wybierając falownik, trzeba zwrócić uwagę przede wszystkim na maksymalne dopuszczalne napięcie. Wynika z niego, ile paneli może się znaleźć w łańcuchu. W celu połączenia z falownikiem większej liczby paneli (dla uzyskania większej mocy instalacji) można połączyć ze sobą równolegle dwa lub więcej łańcuchów, ale tylko pod warunkiem, że w każdym z nich będzie taka sama liczba paneli o identycznych parametrach i będą one naświetlone w ten sam sposób (nachylone pod takim samym kątem i skierowane w tę samą stronę świata). W przeciwnym wypadku różnica napięcia między łańcuchami powodowałaby powstanie prądu stecznego, który mógłby doprowadzić do uszkodzenia ogniw fotowoltaicznych (niektóre falowniki mogą mieć chroniące przed tym bezpieczniki). Zatem jeśli tego warunku nie można spełnić, to trzeba zastosować osobne falowniki dla każdego łańcucha albo urządzenie typu multi-string, czyli wyposażone w kilka wejść do podłączenia kilku różnych łańcuchów. Warto to zrobić, jeżeli planuje się rozbudowę systemu w przyszłości, bo nie wiadomo, czy uda się wtedy kupić identyczne panele jak te zainstalowane wcześniej. A dzięki temu można uniknąć zakupu drugiego falownika. Dla wydajności systemu ważne jest wyposażenie falownika w układ śledzenia mocy maksymalnej paneli (MPPT). Ich moc jest iloczynem chwilowego prądu i napięcia, które się zmieniają wraz ze zmianami natężenia promieniowania słonecznego i temperatury ogniw. Kontroler falownika ma oprogramowanie wyliczające na bieżąco takie wartości napięcia i natężenia, przy których moc jest największa, a falownik uzyskuje najwyższą sprawność. Dokładność dopasowania punktu pracy falownika do punktu mocy maksymalnej paneli zależy od zastosowanego algorytmu.
Urządzenia z multi-trackingiem mają kilka układów śledzenia i umożliwiają modulowanie parametrów pracy poszczególnych nierównomiernie oświetlonych części instalacji. Oprogramowanie takich falowników umożliwia minimalizowanie strat energii wynikających z częściowego zacienienia paneli dzięki wyliczaniu punktu mocy maksymalnej nie tylko całej instalacji, ale i jej fragmentów. Najważniejszym elementem falownika jest oczywiście układ zamieniający napięcie – najczęściej przez szybkie włączanie i wyłączanie napięcia stałego realizowane przez sterowanie mostkiem kluczy tranzystorowych.
Jeżeli mikroinstalacja jest połączona z siecią, falownik musi być wyposażony w układ monitorujący napięcie i częstotliwość jego zmian w sieci oraz reagujący na zmiany wartości tych parametrów – odłączający instalację od sieci w przypadku przekroczenia dopuszczalnego zakresu. Niestety, jest to równoznaczne z przerwą w odbiorze energii z paneli fotowoltaicznych – tego typu urządzenia nie umożliwiają zasilania domowych urządzeń przez panele w sytuacji, gdy nastąpiła awaria sieci. Zatem do wykonania awaryjnego źródła zasilania jest potrzebny niezależny system z akumulatorami.
Galwaniczne odizolowanie paneli od sieci elektroenergetycznej może zapewnić transformator, ale w nowoczesnych falownikach zastępują go bardziej zaawansowane zabepieczenia – znacznie mniejsze i lżejsze. A najważniejsze, że nie powodują tak dużych strat energii jak to urządzenie. Jednak do współpracy z panelami cienkowarstwowymi zwykle dopuszczone są tylko falowniki transformatorowe. W przypadku zastosowania falownika beztransformatorowego, ze względu na brak galwanicznego oddzielenia od strony prądu przemiennego, niezbędny jest wyłącznik różnicowoprądowy.
Falowniki są standardowo wyposażone w ochronnik przepięciowy, ale niektóre pozwalają na zamontowanie dodatkowych ochronników przepięciowych typu 2 (umożliwiających dalszą redukcję przepięcia) i monitorowanie ich stanu. Dzięki nim możliwa jest łatwa integracja z systemem ochrony odgromowej.
Elektroniczne zabezpieczenie łańcuchów fotoogniw zapobiega powstawaniu niebezpiecznych prądów wstecznych tworzących się w wyniku uszkodzenia paneli lub zamiany biegunów przy ich podłączaniu, co może być przyczyną pożaru. Takie zabezpieczenie pozwala też zrezygnować z prostych bezpieczników topikowych, które trzeba by było wymieniać po zadziałaniu. Falownik nagrzewa się podczas pracy, co należy brać pod uwagę, wybierając dla niego miejsce montażu. Niektóre są wyposażone w wentylator chłodzący – lepiej, gdy jest sterowany temperaturowo, a nie działający bez przerwy, bo pobiera mniej energii.
Urządzenia dobrej klasy mają wyświetlacze, z których można odczytać aktualne parametry pracy instalacji, ilość energii uzyskanej w danym dniu i od początku działania systemu, a nawet pokazujące krzywą sprawności urządzenia. W przypadku awarii pojawia się informacja o zaistniałym błędzie. Komunikację może ułatwiać inter fejs RS485, a nawet Bluetooth umożliwiający odbieranie informacji bądź zmianę ustawień na odległość.
Falownik może mieć funkcję korzystania z usług sieciowych oferowanych przez operatora systemu dystrybucyjnego (ograniczenie mocy czynnej lub udostępnianie mocy biernej). Beztransformatorowe falowniki do instalacji fotowoltaicznych o mocy szczytowej 3 kW kosztują 2,5-7 tys. zł. Najlepsze osiągają sprawność powyżej 97%.
Autor: Fronius
Czy znasz już wszystkie rodziny funkcjonalnych falowników sieciowych firmy Fronius? Czy wiesz, że współpracują ze wszystkimi standardowymi modułami solarnymi? Wydajne, o wysokiej sprawności i niezawodne stanowią serce systemu fotowoltaicznego.
Instalacja fotowoltaiczna nigdy dotąd nie była tak prosta do zaprojektowania, montażu, uruchomienia, obsługi i monitorowania, jak to ma miejsce z nowej generacji falownikami SnapINverter: trójfazowymi SYMO i ECO, oraz jednofazowymi PRIMO i GALVO. Wszystkie wywołują niesamowite wrażenie swoim eleganckim designem i kompletem interfejsów komunikacyjnych, które w przypadku falowników Fronius - są standardem.
Aspekty techniczne poszczególnych modeli są doskonale przemyślane tak, aby spełnić wymagania systemów PV zarówno dziś, jak i w przyszłości. Gwarantuje to ich maksymalna elastyczność w zastosowaniu i oznacza w praktyce, że generacja falowników SnapINverter może być użyta do wszystkich rodzajów systemów fotowoltaicznych: od instalacji dla domów jednorodzinnych, aż po przemysłowe elektrownie fotowoltaiczne na dużą skalę.
Dowiedz się więcej o rodzinie falowników Fronius na stronie www.fronius.pl
Mikrofalowniki
Zamiast jednego falownika dla całego systemu stosuje się też w niedużych instalacjach mikrofalowniki obsługujące niezależnie każdy panel. System z kilkoma mikrofalownikami jest droższy niż z jednym wspólnym falownikiem – w przypadku instalacji o całkowitej mocy kilku kilowatów mniej więcej o 15%, czyli o parę tysięcy złotych.
Czy warto stosować takie rozwiązanie? Za wyborem mikrofalowników przemawia łatwość rozbudowy i naprawy instalacji. Mocuje się je bezpośrednio do paneli, w przypadku uszkodzenia jednego reszta nadal pracuje. Ale najważniejszą zaletą jest ta, która się ujawnia w przypadku częściowego zacienienia niektórych paneli. Niezależne mikrofalowniki sprawiają, że uzysk energii jest w takiej sytuacji większy niż przy wykorzystaniu jednego wspólnego falownika dla całej instalacji (zwłaszcza niezbyt zaawansowanego). Dlatego ich zastosowanie warto rozważać tylko w tedy, gdy panele znajdują się w pobliżu obiektów okresowo utrudniających dotarcie do nich promieniowania słonecznego – kominów, lukarn, wykuszy, wysokich budynków czy drzew.
Z pomocą w ocenie opłacalności zastosowania mikrofalowników przychodzą programy komputerowe umożliwiające przeprowadzenie symulacji działania systemu. Można uznać, że warto w nie zainwestować, jeśli symulacja wykaże, że dzięki nim produkcja energii elektrycznej będzie większa co najmniej o kilkanaście procent niż przy zastosowaniu wspólnego falownika. Ale trzeba jeszcze brać pod uwagę to, że im mniejszy jest stopień wykorzystania energii uzyskanej dzięki temu droższemu rozwiązaniu, tym gorszy jest wynik ekonomiczny – czas zwrotu jest dłuższy. Za jeden mikrofalownik do modułu o mocy szczytowej 250 W trzeba zapłacić 650-900 zł (do instalacji o mocy 3 kW potrzeba ich 12).
Akumulatory w systemie fotowoltaicznym
W instalacjach wyspowych są niezbędne – bez nich nie jest możliwe zasilanie urządzeń, których działanie jest potrzebne nie tylko w chwilach silnego nasłonecznienia. To przede wszystkim one decydują o tym, ile energii słonecznej uda się wykorzystać w takim systemie.
Z pojemności akumulatorów wynika oczywiście, jak długo będą działały odbiorniki, ale też ile energii uda się odebrać z fotoogniw – z tych względów im jest większa, tym lepiej. Jeżeli akumulatory szybko się naładowują, to panele fotowoltaiczne często są bezużyteczne, mimo że mogłyby dostarczać energię, a to powoduje znaczne wydłużenie czasu zwrotu inwestycji.
Autor: Aurora Power-One
Falowniki o mocy do 5 kW są jednofazowe. Mogą mieć kilka wejść do podłączenia działających niezależnie obwodów fotoogniw, co przydaje się, gdy są one usytuowane w odmienny sposób, na przykład na połaciach dachu skierowanych w różne strony. Układ beztransformatorowy pozwala osiągać sprawność powyżej 95%
O przydatności do pracy w systemie fotowoltaicznym decyduje odporność akumulatora na częste ładowanie i głębokie rozładowywanie – im niższy jest próg rozładowania, tym lepiej. W popularnych najtańszych akumulatorach samochodowych kwasowo-ołowiowych, tak zwanych rozruchowych, jest on wysoki – rozładowywanie ich poniżej 80% pojemności powoduje ich niszczenie. A więc ich pojemność użytkowa stanowi zaledwie 20% pojemności nominalnej. Konstrukcja akumulatorów tego typu została opracowana w celu oddawania bardzo dużego prądu przez krótki czas (do obrócenia rozrusznika silnika spalinowego), a w instalacji elektrycznej w domu potrzebny jest raczej mniejszy prąd odbierany przez wiele godzin.
Z tego względu do systemu fotowoltaicznego znacznie bardziej odpowiednie są akumulatory trakcyjne – służące między innymi do napędu pojazdów elektrycznych. Niektóre z nich można rozładowywać niemal do zera i są one w stanie przetrwać bardzo dużo cykli ładowania i rozładowywania.
Akumulatory o zwiększonej żywotności i odporności na głębokie rozładowywanie mogą być napełnione ciekłym elektrolitem – są wtedy nazywane EFB. Od zwykłych różnią się zastosowaniem w nich grubszych płyt (elektrod) wzmacnianych poliestrem. Coraz powszechniej stosowane są akumulatory z zagęszczonym elektrolitem – żelowe, oznaczane skrótem HZY. Są bezpieczniejsze, bo nie ma ryzyka, że wycieknie z nich żrący kwas. To właśnie one są często oferowane jako akumulatory przeznaczone specjalnie do instalacji fotowoltaicznych. Co najmniej równie dobre do takiego zastosowania są akumulatory z matami szklanymi nasączonymi elektrolitem – AGM, ale nie stosuje się ich tak powszechnie z powodu wyższej ceny, podobnie jak bardzo dobrych, ale znacznie droższych akumulatorów niklowo-metalowo-wodorkowych (NiMH), niklowo-kadmowych (NiCd) i litowo-polimerowych (LiPo).
Polecany artykuł:
Pojemność akumulatora
Wcelu oszacowania pojemności akumulatorów odpowiedniej dla określonej mocy instalacji można w uproszczeniu przyjąć, że średnia dla roku dzienna ekspozycja słońca wynosi mniej więcej 5 h, a straty energii w systemie wyspowym wynoszą około 15%. Z tego wynika, że przeciętna dzienna produkcja energii przez instalację o mocy 1000 W wynosi: 1000 x 5 x (1 – 0,15) = 4250 Wh. Może ją w całości przejąć akumulator 12 V o pojemność użytkowej 354 Ah (4250/12 = 354). Określając jego pojemność nominalną, należy jeszcze uwzględnić dopuszczalny stopień rozładowania (podawany przez producenta). Jeśli wynosi 50%, to jest potrzebny akumulator o pojemności nominalnej dwukrotnie większej, czyli 708 Ah. Można też wyjść z założenia, że potrzebny jest zapas określonej ilości energii (na przykład na całą dobę), i obliczyć, jakiej mocy instalacja zapewni naładowanie akumulatora, w którym uda się ją zgromadzić. Przyjmując założenia jak wyżej (czas ładowania 5 h, straty 15%), otrzymuje się, że na każde 100 Ah pojemności użytkowej akumulatora (1,2 kWh przy napięciu 12 V) potrzebna moc wynosi 276 W. Specjaliści doradzają stosowanie akumulatorów mogących zapewnić energię potrzebną do zasilania urządzeń przez pięć pochmurnych dni.
Na zakup dobrej jakości akumulatorów żelowych 12 V o pojemności 100 Ah trzeba przeznaczyć blisko 1000 zł (do instalacji o mocy 1 kW potrzebne są akumulatory 12 V o pojemności użytkowej mniej więcej 4000 Ah).
Regulatory ładowania
W celu wykorzystania jak największej ilości energii słonecznej i uniknięcia strat do ładowania akumulatorów w systemie fotowoltaicznym należy zastosować nowoczesny regulator (kontroler) ładowania oparty na technologii mikroprocesorowej, najlepiej z opisanym już wcześniej systemem kontroli punktu maksymalnej mocy (MPPT). Zadaniem tego urządzenia jest między innymi zabezpieczenie systemu przed prądem zwrotnym, żeby akumulatory nie rozładowywały się przez fotoogniwa w czasie, gdy te nie działają.
Żywotność akumulatorów wydłuża stosowany w niektórych regulatorach trójpoziomowy algorytm ładowania z kompensacją temperaturową. Regulatory mają zabezpieczenia przed odwrotną polaryzacją napięcia (połączeniem plusa z minusem), nadprądowe, przeciwzwarciowe i temperaturowe. Mogą pracować z dowolnym napięciem wejściowym i automatycznie rozpoznawać napięcie znamionowe układu akumulatorów. Nie dopuszczają do ich przeładowania i nadmiernego rozładowania. Spotyka się regulatory wyposażone w zegary sterujące pracą odbiorników, co pomaga wykorzystywać energię słoneczną w jak największym stopniu. Za markowy regulator ładowania o bardzo dobrych parametrach (wydajność 99%) do instalacji fotowoltaicznej o mocy do 3 kW trzeba zapłacić mniej więcej 2,5 tys. zł.
Polecany artykuł:
