Inwerter czy mikroinwertery?
| FotowoltaikaPanele PV dają prąd stały (DC) natomiast większość urządzeń wymaga do działania prądu przemiennego (AC). Żeby go uzyskać potrzebujemy więc inwertera lub tzw. mikroinwerterów. Jakie mocne i słabe strony ma każde z tych rozwiązań. Ponadto do czego przydają się optymalizatory i w jakich warunkach działają skutecznie?
W powszechnym przekonaniu instalacja PV to przede wszystkim panele. Po części to prawda, bo bez nich przecież w ogóle nie pozyskamy prądu. Z drugiej jednak strony, bez inwertera lub mikroinwerterów nie będziemy w stanie tego prądu wykorzystać! Jeśli zaś falownik zostanie dobrany nieprawidłowo – sprawność całego układu drastycznie spadnie, czyli w rzeczywistości uzyskamy o wiele mniej prądu, niż to możliwe. To z kolei oznacza, że wykonanie systemu PV przyniesie znacznie mniejsze korzyści, niż się spodziewaliśmy, zakładając panele o określonej mocy. Jeśli dodać do tego, że inwerter lub tzw. mikroinwertery to najdroższa po samych panelach część systemu, staje się jasne, dlaczego warto poświęcić tej sprawie sporo uwagi.
Dlaczego potrzebujemy falownika?
Zacznijmy od tego, jak w ogóle działa system PV. Oczywiście, nie będzie to szczegółowy opis poszczególnych rozwiązań technicznych dostępnych na rynku. Tu chodzi o zrozumienie samej zasady działania, dlatego pozwolimy sobie na pewne uproszczenia i uogólnienia.
Pierwszym elementem domowego systemu PV są tzw. panele. To one pod wpływem padającego światła słonecznego dają prąd. W tym momencie najważniejsze są dla nas dwie sprawy. Po pierwsze, uzyskiwana w ten sposób ilość energii elektrycznej zależy przede wszystkim od intensywności (mocy) promieniowania słonecznego.
Po drugie, uzyskujemy prąd stały (DC), czyli taki jak z baterii w latarce, czy z akumulatora samochodowego. Zaś w domowej instalacji płynie prąd przemienny (AC). Właśnie po to żeby móc go w pełni wykorzystać potrzebujemy falownika (inwertera), czyli urządzenia przekształcającego prąd stały w prąd przemienny.
Taka zmiana nie odbywa się bez strat. Innymi słowy – część energii oddanej przez panele zostaje stracona, np. zamieniona na ciepło (falownik się nagrzewa). To jaką część mocy podanej na wejściu DC w postaci prądu stałego będzie w stanie on oddać na wyjściu AC jako prąd przemienny to właśnie sprawność falownika. W karcie katalogowej będzie to zwykle bardzo duża wartość, najczęściej znajdziemy zapis w rodzaju „do 97%”. Ale właśnie ten dopisek „do” ma tu fundamentalne znaczenie. Bo maksimum sprawności osiągane jest tylko w ściśle określonych warunkach testowych. Dlatego solidni producenci udostępniają w dokumentacji szczegółowe dane o sprawności falownika zależnie od stopnia jego obciążenia prądem pochodzącym z paneli. Przy czym ważne jest zarówno napięcie (U), jak i natężenie (I) prądu na wejściu DC. To pierwsze podaje się w woltach [V], drugie zaś w amperach [A]. Natomiast wyrażana w watach [W] moc prądu stałego (P) to iloczyn napięcia i natężenia. Dlatego np. 300 V × 10 A = 3000 W = 3 kW.
Co więcej, parametry pracy falownika nie są stałe i zmieniają się zarówno w zależności od zmian napięcia, jak i natężenia prądu na wejściu DC. Ale najważniejsze czy w ogóle moc paneli została prawidłowo dopasowana do mocy inwertera. W skrajnych przypadkach, przy słabym nasłonecznieniu może być nawet tak, że panele dadzą pewną ilość prądu, ale jego napięcie będzie zbyt niskie, żeby falownik w ogóle zaczął działać! Dlatego dobieranie inwertera o mocy znacznie zawyżonej – w stosunku do łącznej mocy paneli – może okazać się bardzo poważnym błędem. A niektórzy tak robią, uzasadniając to chęcią rozbudowy instalacji w bliżej nieokreślonej przyszłości.
Jeden lub kilka
W wielu przypadkach najdłużej i najczęściej stosowany wariant z pojedynczym inwerterem do którego przyłączone są panele może działać bardzo dobrze. Szczególnie jeśli falownik jest właściwie dobrany, a wszystkie panele są jednakowo wyeksponowane na słońce – np. są na tej samej połaci dachu, którego nic nie zacienia. Tym bardziej w niewielkim systemie, np. o mocy 3 kWp, którego nikt nie zamierza rozbudowywać, szukanie innych rozwiązań, takich jak mikrofalowniki, nie będzie miało uzasadnienia. Taki wariant będzie po prostu najprostszy i najtańszy.
Co innego, jeśli tworząc system zakładamy możliwość jego rozbudowy. Wówczas zamiast jednego falownika obsługującego wiele paneli mamy układ, w którym każdy panel przyłączony jest do falownika o niewielkiej mocy (stąd określenie mikrofalownik). Rzadziej 1 mikrofalownik obsługuje 2–4 panele. Dzięki takiej modułowej budowie nie ma problemu z niedopasowaniem mocy paneli i falownika – zwiększając jedną od razu zwiększamy też drugą.
Mikrofalowniki dobrze sprawdzą się także wówczas, gdy panele zorientowane są na różne strony świata, albo niektóre z nich są okresowo zacienione przez drzewa, czy choćby cień rzucany przez komin. A w naszych realiach, gdy instalacje zakłada się często na wielopołaciowych dachach takie sytuacje nie są rzadkością. Chodzi o to, że maksymalne wykorzystanie energii wymaga dopasowania ustawień inwertera i chwilowych parametrów pracy paneli zależnych od nasłonecznienia. A jak to zrobić, kiedy poszczególne panele są w odmiennym stopniu wystawione na słońce? Z mikrofalownikami nie ma problemu – każdy i tak obsługuje tylko „swój” panel.
W przypadku tradycyjnych falowników jest trudniej. Na szczęście część z nich wyposażonych jest w dwa układy tzw. śledzenia punktu pracy – MPPT. Dzięki temu do każdego z nich można podłączyć osobny ciąg (szereg) paneli i falownik dobierze optymalne parametry pracy każdego z nich osobno. Gorzej, jeśli panele skierowane są w trzech kierunkach o odmiennym nasłonecznieniu. Wtedy mikroinwertery będą miały przewagę.
W układzie z typowym inwerterem poszczególne panele można jeszcze wyposażyć w tzw. optymalizatory. To układy elektroniczne śledzące punkt pracy poszczególnych paneli. Jednak one najlepiej sprawdzają się w sytuacji gdy to przesuwający się cień zaburza pracę danego ciągu połączonych szeregowo paneli. Optymalizatory zmniejszają wówczas straty mocy.
Stringi na dachu
W przypadku fotowoltaiki często mówi się o stringach, ale bynajmniej nie chodzi o bieliznę. Tym mianem określa się ciągi połączonych szeregowo paneli. Czasem używa się też pojęcia „łańcuch”, lecz jest ono znacznie mniej popularne. Dlaczego w ogóle panele łączy się szeregowo? Powodów jest wiele, ale najważniejszy wynika z tego co napisaliśmy nieco wcześniej o tym z czego wynika moc prądu stałego. Kto ominął ten fragment, widząc liczby, niech szybko do niego wróci! Otóż, jeżeli panele połączymy szeregowo to napięcia dawane przez nie się zsumują (np. 10 × 30 V = 300 V), zaś natężenie prądu pozostanie takie samo jak w przypadku pojedynczego modułu (np. 10 A). Ostatecznie z 10 paneli uzyskamy 10 razy wyższą moc, zachowując równocześnie dość niskie natężenie prądu. A to właśnie głównie od natężenia prądu zależy wymagany przekrój przewodów. Ponadto falowniki mogą znieść znacznie większą różnicę napięcia, niż natężenia prądu na wejściu DC. Przykładowo, w naprawdę dobrej klasy sprzętach o nominalnej mocy od 3 do 8 kW, dopuszczalne jest od 150 do 1000 V, ale maksymalnie tylko 16 A. Zaś jeden panel daje np. maksymalne napięcie 35 V i natężenie 10 A. W takiej sytuacji po prostu nie ma innego wyjścia, jak połączyć je szeregowo. W układzie równoległym już dwa panele to maksymalnie 20 A – w tym wariancie, natężenie (prąd) się sumuje, a napięcie się nie zmienia.
W układzie szeregowym nie ma nic złego, o ile wszystkie panele oświetlone są w podobnym stopniu i wolne od zacienienia, a długość stringu (liczba paneli) nie jest zbyt duża. Inaczej pogorszenie parametrów pracy jednego z nich spowoduje równanie w dół. Napięcie dalej będzie się sumować, ale natężenie prądu w całym szeregu obniży się do poziomu najsłabszego ogniwa i spadnie np. z 10 do 5 A. Oczywiście, to już ogromna, bo dwukrotna, strata mocy – i to pozyskiwanej z całego łańcucha paneli, liczącego np. 20 sztuk. Długie stringi to więc duże ryzyko pogorszenia uzysku energii przez jeden wadliwy czy zacieniony element – bo wszystkie są od siebie zależne.