Falownik – z prądu stałego na przemienny. 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.

Moduły fotowoltaiczne zamieniają promieniowanie słoneczne w prąd stały, który aby mógł trafić do gniazdek elektrycznych, musi być przetworzony na prąd przemienny. Zajmuje się tym urządzenie zwane falownikiem.

Energia wprowadzana do domowej sieci musi spełniać określone wymagania. Moduły fotowoltaiczne zamieniają promieniowanie słoneczne w prąd stały, który musi być przetworzony na prąd zmienny o częstotliwości 50 Hz i napięciu 230 V. W tym celu w systemie potrzebne jest falownik (inaczej inwerter lub przetwornica). Zakup falownika to około 20% kosztów całej instalacji, dlatego bardzo istotny jest jego prawidłowy wybór.

Jak działa falownik

Głównym elementem falownika jest układ przetwarzający napięcie ze stałego na przemienne. Ponadto w skład falownika wchodzą: układy wejściowe, do których podłącza się łańcuchy modułów fotowoltaicznych, układ sterujący oraz układ zabezpieczający, zapewniający wydajną i bezpieczną współpracę urządzenia z siecią.

Wybierając falownik, warto kierować się renomą producenta oraz długością udzielanej gwarancji. Decydując się na konkretny model falownika, należy zwrócić uwagę na:

• szybkość wyszukiwania i utrzymania punktu mocy maksymalnej MPP,
• sprawność urządzenia (zwłaszcza przy częściowym obciążeniu),
• stopień ochrony (minimum IP65)
• zakres temperatur pracy (najlepiej od -25°C do +60°C).

Istotna jest też łatwość instalacji, dostępność serwisu, oraz czy dołączona dokumentacja jest w języku polskim. Warto również zwrócić uwagę, czy falownik jest zgodny z obowiązującymi normami i przepisami, oraz czy oferuje możliwość łatwego kontrolowania działania i diagnozowania usterek.

Falownik z transformatorem lub bez

Falowniki można podzielić według kilku podstawowych kryteriów oraz parametrów. Pierwszym z nich jest podział na inwertery z i bez wbudowanego transformatora HF (wysokiej częstotliwości), który zapewnia izolację pomiędzy stałym napięciem wejściowym a siecią energetyczną. Aktualnie spotykane są głównie rozwiązania falowników bez transformatorów. Tego typu konstrukcje wyposażone są bardziej zaawansowane układy zabezpieczeń, co wpływa na większą sprawność przetwornicy przy jej mniejszej wadze i wymiarach.

Falowniki wyspowe i sieciowe

Falowniki dzielimy również na modele nawiązujące i nienawiązujące połączenia z zewnętrzną siecią energetyczną. Falowniki typu wyspowego (off-grid) nie mają możliwości oddawania do sieci nadwyżki wyprodukowanego prądu, są w stanie zasilać domowe urządzenia oraz ładować akumulatory. Rozwiązania tego typu stosuje się np. w domkach letniskowych. Drugi typ falownika (on-grid) nawiązuje połączenie z siecią energetyczną i przekazuje tam nadwyżki produkowanej energii oraz dostosowuje napięcie instalacji fotowoltaicznej do napięcia sieciowego. Inwerter typu on-grid nie umożliwia ładowania akumulatorów.

Przeczytaj też:

• Ile kosztuje instalacja fotowoltaiczna. Czy to się opłaca? Kiedy się zwróci? >>>

Liczba faz

Kolejny parametr przy wyborze falownika to liczba faz. Modele o małej mocy (do ok. 3 kW) występują w wersji jednofazowej. Dla większych mocy stosuje się falowniki trójfazowe. Ich zaletami są ograniczanie wartości prądu i równomierne wprowadzanie energii do każdej z faz. Wpływa to na mniejsze wahania napięcia w sieci oraz daje możliwość zastosowania przewodów o mniejszych przekrojach.

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:

 η = moc wyjściowa P_AC / moc wejściowa P_DC

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.

Układ śledzący MPPT

Moduły fotowoltaiczne nie mają ustalonego punktu mocy maksymalnej (MPP). Zmienia się on w zależności od warunków pogodowych, natężenia promieniowania i temperatury ogniw. Nowoczesne falowniki wyposażane są w układ MPPT (ang. Maximum Power Point Tracker). Zadaniem układu MPPT jest śledzenie maksymalnego punktu mocy modułów fotowoltaicznych i jak najszybsze dopasowywanie się do jego nowej wartości, co może zwiększyć ilość uzyskanej energii nawet o kilkanaście procent. Nowoczesne układy MPPT potrafią wyszukiwać punkt mocy maksymalnej w przypadku łańcucha modułów częściowo zacienionych, oferując o większe uzyski energii. Bardziej zaawansowane falowniki wyposażane są w dwa urządzenia MPPT. Dzięki takiemu rozwiązaniu, do przetwornicy można podłączyć dwa łańcuchy o różnej liczbie połączonych modułów lub znajdujących się np. na przeciwległych połaciach dachu.

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:

 współczynnik mocy falownika IR = moc pola modułów [W_p] * sprawność falownika [%] / maksymalna moc AC falownika [W]

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*

* wszystkie ceny przykładowe

Chłodzenie inwertera

Falownik w trakcie swojej normalnej pracy nagrzewa się. Tańsze konstrukcje chłodzone są na zasadzie naturalnej konwekcji powietrza. Elementy elektroniczne, które są właściwie chłodzone, mają dłuższą żywotność. Dlatego producenci bardziej zaawansowanych przetwornic wyposażają je w chłodzenie wymuszone z możliwością płynnej regulacji przepływu powietrza. 

Funkcja monitorowania pracy

Funkcja monitorowania pozwala zdalnie kontrolować pracę domowej elektrowni słonecznej. Monitoring jest niezbędny, aby uzyskać maksymalną wydajność systemu fotowoltaicznego oraz zarejestrować informacje o wszelkich sytuacjach nietypowych. Najprostszym sposobem monitorowania pracy falownika jest odczytywanie wartości na wbudowanym wyświetlaczu LCD. Bardziej zaawansowana rejestracja parametrów wejściowych i wyjściowych mocy, napięcia i prądu wymaga zastosowania układów zwanych Datamanager’ami. Gromadzą one informacje, które dzięki komunikacji przewodowej bądź za pośrednictwem sieci Wi-Fi mogą być wyświetlane i analizowane przez użytkownika w mobilnej aplikacji lub na stronie WWW. Dane można też archiwizować oraz generować na ich podstawie szczegółowe raporty. Możliwe jest również wykorzystanie dodatkowego układu, który mierzy zużycie energii przez odbiorniki zainstalowane w budynku i porównuje ja z profilem produkcji w instalacji fotowoltaicznej. Dzięki temu łatwo obliczyć stopień wykorzystania energii na własne potrzeby, a także korzyści finansowe wynikające z zainstalowania elektrowni słonecznej. Funkcje monitorowania ważne są również z punktu widzenia obsługi technicznej i serwisu.

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.

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.

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.

Mikroinwertery, czyli falowniki do zadań specjalnych

Mikroinwertery to nowa generacja falowników obsługujących pojedyncze moduły PV. Przy ich zastosowaniu, prąd stały pochodzący z instalacji fotowoltaicznej jest przetwarzany na przemienny osobno z każdego modułu. Dzięki temu nie ma znaczenia, czy część paneli jest w danej chwili w pełnym słońcu, a część w półcieniu. Wbudowane w mikroinwertery układy śledzenia maksymalnego punktu mocy (MPP) „pilnują”, aby każdy moduł funkcjonował z optymalną wydajnością. Mikroinwertery pracują pod niższym obciążeniem, dzięki czemu ich żywotność jest dłuższa. W przypadku awarii, pojedynczy mikroinwerter można w szybko i dość tanio wymienić, łatwa jest również rozbudowa systemu o kolejne moduły. Do negatywów zaliczyć należy fakt, że mikrofalowniki instalowane są pod modułami PV, przez co narażone są na negatywne działanie czynników atmosferycznych, niskich i wysokich temperatur. Instalacja fotowoltaiczna oparta na mikroinwerterach jest droższa i bardziej skomplikowana niż instalacja z zastosowaniem tradycyjnego falownika. Sprawdzi się w przypadku problemów z częściowym zacienieniem dachu lub jego skomplikowaną konstrukcją, uniemożliwiająca zainstalowanie ogniw na jednej jego płaszczyźnie (duża ilość okien, jaskółki itp.).