Kompendium PV: Jak dobrać falownik..

Kompendium PV: Jak dobrać falownik..

      Urządzeniem odpowiedzialnym za przemianę prądu stałego pochodzącego z ogniw słonecznych w prąd przemienny o odpowiednich parametrach jest falownik. Obecnie falownik służy również do monitorowania produkcji i przepływu energii oraz posiada zintegrowane zabezpieczenia takie jak rozłączniki. Falowniki stosowane w instalacjach pod względem budowy dzielą się na transformatorowe oraz beztransformatorowe.  Najbardziej popularne na rynku to konstrukcję bez transformatora, charakteryzują się wysoką sprawnością w dużym przedziale obciążenia oraz posiadają szeroki zakres napięciowy pracy. Dodatkowymi zaletami jest mała waga urządzenia oraz przystępna cena.

      Główną zaletą falowników transformatorowych jest wyższy stopień bezpieczeństwa, charakteryzują się dłuższą żywotnością i stosowane są głównie w instalacjach, gdzie warunki techniczne wymagają izolacji galwanicznej między generatorami a siecią. Zastosowanie modułów cienkowarstwowych CdTe (Tellurek Kadmu) bądź na bazie krzemu amorficznego wymaga użycia falownika transformatorowego z uziemieniem minusa. Obecenie nie ma na rynku falowników transformatorowych dopuszczonych do użytku przez OSD.

      Sprawność falownika jest to stosunek mocy wyjściowej AC do mocy wejściowej DC. Zależy ona zarówno od napięcia wejściowego jak również od mocy, z jaką pracuję inwerter. Rysunek pokazuje zależność sprawności od mocy w trzech różnych wartościach napięcia. Wynika z niego, że falownik przy obciążeniu od 40-100 % swojej mocy pracuję w optymalnych warunkach.

 

 Sprawność falownika w zależności od mocy wyjściowej oraz napięcia strony DC.  źródło: Fronius.

        Ponieważ moc instalacji generatorów PV jest liczona w kW w warunkach STP (Standard Test Condition) które w rzeczywistości w naszej strefie klimatycznej bardzo rzadko występują.  Zdecydowaną większość czasu nasłonecznienie jest dużo mniejsze i aby nie utracić na sprawności falownika moc jego dobiera się o 25% niższą niż moc modułów w kW. Aby lepiej wyrazić rzeczywistą sprawność wprowadzono tzw. sprawność europejską (EURO/CEC) która uwzględnia warunki nasłonecznienia w Europie Środkowej zakładając, że 22% czasu falownik będzie pracował z obciążeniem poniżej 20% czyli ze znacznie mniejszą sprawnością niż optymalna.

        Falowniki są najmniej trwałymi elementami w całej mikroinstalacji fotowoltaicznej. Warto zwrócić uwagę z jakich materiałów są wykonane. Główną przyczyną zawodności tych urządzeń są awarie kondensatorów elektrolitycznych. Konstrukcje lepszych producentów przewidują użycie znacznie bardziej żywotnych kondensatorów ceramicznych. Standardowe gwarancje na falowniki wynoszą od 2 do 5 lat, czołowi producenci przewidują płatne przedłużenie okresu gwarancyjnego do 20 lat.

        Falowniki w zależności tego ile modułów obsługują dzielimy na mikrofalowniki  obsługują do około 300 W, falowniki łańcuchowe  o mocy 1 do 50 kW, falowniki dużej mocy, centralne, stosowane w farmach fotowoltaicznych obsługują nawet do kilku megawatów. W budynkach jednorodzinnych najczęściej stosowane są falowniki łańcuchowe. W przypadkach z problematycznym zacienieniem zasadne jest zastosowanie mikrofalowników. Wedle obowiązujących przepisów falowniki jednofazowe dozwolone są do mocy 4,6 kW. Obecnie trwają ustalenie czy nie obniżyć tej mocy do 3,68 kW. Powyżej stosowane są wyłącznie inwertery trójfazowe. W praktyce najbardziej ekonomiczne jest zastosowanie pojedynczego falownika o odpowiedniej mocy jednak w takim przypadku należy zwrócić szczególną uwagę na dobór modułów do siebie ze względu na dopasowanie napięciowo-prądowe. Falownik uzyskuję najwyższą sprawność przy napięciu nominalnym a więc konfiguracja modułów w łańcuchu powinna uzyskiwać napięcie zbliżone do napięcia pracy falownika. Przy instalacjach o łańcuchach złożonych z innej liczby paneli bądź różniących się nasłonecznieniem na przykład w skutek innego kąta obsadzenia bądź innego azymutu powinno się zastosować falownik, który jest wyposażony w dwa moduły śledzenia mocy (ang. MPPT - Max Power Point Tracker). Układ ten steruje obciążeniem podłączonych modułów tak, aby generowały one maksymalną moc w warunkach w których aktualnie pracują. Przy dwóch różniących się od siebie łańcuchach generatorów PV punkt mocy maksymalnej jest szukany osobno dla każdego, dlatego zacienienie, zabrudzenie, bądź uszkodzenie jednego nie ma wpływu na drugi. W przypadku, gdy jest potrzeba uniezależnienia więcej niż dwa szeregi modułów stosowane są mikrofalowniki bądź zamiast nich coraz częściej optymalizatory mocy.

        Optymalizatory montowane przy module pozwalają na wyznaczenie jego maksymalnego punktu pracy niezależnie od reszty łańcucha. Swoim zastosowaniem zastępują mikrofalowniki a ich większa elastyczność oraz niższa cena powodują, że stają się coraz bardziej popularne. Jednym z liderów tego typu rozwiązań jest firma SolarEdge. Posiada ona w swojej ofercie optymalizatory, które pozwalają na utrzymania stałego napięcia w łańcuchu mimo tego, że poszczególne jego moduły nie będą pracowały równo. W takim przypadku maksymalna moc jest poszukiwana tylko poprzez regulację prądu. W takim przypadku nie ma potrzeby stosowania oddzielnych MPP trakerów w samym falowniku.

        Najnowszymi rozwiązaniami jest zintegrowanie optymalizatorów mocy w samym module, zastępując nimi diody bocznikujące. Pozwala to na jeszcze dokładniejsze zarządzanie maksymalnym punktem pracy i uniezależnienie pracy instalacji od najsłabszych jej punków.

 

inż. Bartosz Zaręba

Wróć