Jaki falownik wybrać do instalacji fotowoltaicznej?

Falownik, inaczej inwerter solarny jest jednym z niezbędnych elementów instalacji fotowoltaicznej. Jego zadaniem jest przekształcenie prądu stałego produkowanego przez moduły PV na prąd zmienny, który wykorzystywany jest do zasilania urządzeń codziennego użytku oraz jest zgodny z parametrami sieci niskiego napięcia. Ponadto falownik pełni funkcję kontrolną i dzięki niemu możliwe jest prowadzenie statystyk dotyczących produkowanej przez instalację energii.

Instalując elektrownię słoneczną na dachu budynku mamy do wyboru więcej niż jeden typ falownika. Na co zwrócić uwagę wybierając urządzenie? Jakie dokładnie funkcje spełnia inwerter oraz jaką moc powinien posiadać?

Rodzaje falowników

Przede wszystkim należy zwrócić uwagę na fakt, że na rynku dostępna jest bardzo szeroka oferta inwerterów, co daje nam możliwość wyboru urządzenia, które będzie spełniało konkretne wymagania instalacji fotowoltaicznej.

Podział falowników ze względu na wielkość oraz możliwości określonej liczby paneli

Pierwszy podział falowników dotyczy ich wielkości oraz możliwości podłączenia określonej liczby paneli.

• Mikrofalowniki – współpracują tylko z jednym panelem fotowoltaicznym o mocy około 0,3 kW. W praktyce oznacza to, że prąd przetwarzany jest dla każdego modułu z osobna, dzięki czemu
  w przypadku częściowego zacienienia paneli praca instalacji nie zostaje ograniczona, co pozwala osiągać maksymalną wydajność.
• Falowniki szeregowe (stringowe) – obsługują wszystkie panele słoneczne w małej instalacji fotowoltaicznej (1-50kW), natomiast przy większych instalacjach obsługują jedynie ich część. Falownik ten współpracuje z całym szeregiem paneli słonecznych.
• Falowniki centralne – wykorzystywane są głównie do pracy na farmach fotowoltaicznych ze względu na dużą moc. Zazwyczaj jeden falownik centralny współpracuje z kilkoma tysiącami modułów PV.

Podział falowników ze względu na izolację

Nie bez znaczenia przy wyborze falownika jest również wykorzystywana przez niego technologia. Kolejny podział dotyczy falowników ze względu na izolację pomiędzy stałym napięciem wejściowym, a siecią energetyczną.

• Falownik transformatorowy – zaletą tego typu inwertera jest osiąganie najwyższej efektywności w dolnym zakresie napięcia pracy oraz możliwość separacji modułów PV od sieci elektroenergetycznej. Falownik z wbudowanym transformatorem HF (wysokiej częstotliwości) pracuje optymalnie w momencie, gdy jego obciążenie wynosi 20-60% mocy nominalnej, natomiast wyższe obciążenie nie powoduje znaczącej redukcji produktywności. Utrata sprawności następuje w momencie obciążenia poniżej 15-20%.
• Falownik beztransformatorowy – obecnie najczęściej wybierany rodzaj falownika ze względu na bardziej zaawansowane układy zabezpieczeń i lepszą sprawność w szerokim zakresie obciążenia. Optymalne obciążenie dla falownika beztransformatorowego wynosi 25-100% mocy nominalnej, natomiast należy zaznaczyć, że im wyższe obciążenie, tym wyższa jego sprawność. Podobnie jak w przypadku inwertera transformatorowego, radykalna utrata sprawności występuje
  w momencie obciążenia poniżej 15-20%.  

Podział falowników ze względu na współpracę z siecią

Podział falowników ze względu na współpracę z siecią dotyczy inwerterów, dzięki którym instalacja fotowoltaiczna będzie mogła być podłączona do sieci elektroenergetycznej. W tej grupie urządzeń wyróżniamy dwa typy:

• Falownik sieciowy (on-grid) – ten typ inwertera umożliwia synchronizację instalacji z siecią, dzięki czemu istnieje możliwość oddawania nadwyżek energii do sieci publicznej. Istotną opcją tego inwertera jest dostosowanie napięcia instalacji fotowoltaicznej do napięcia sieciowego. Zwykle ten typ falownika nie ma możliwości ładowania akumulatorów. Warto nadmienić, że w przypadku inwertera on-grid instalacja nie będzie produkowała prądu, gdy zaniknie napięcie w sieci publicznej. Jest to spowodowane zabezpieczeniem antywyspowym, którego zadaniem jest chronić techników wykonujących naprawy podczas awarii sieci przed porażeniem z lokalnych mikroźródeł.
• Falownik wyspowy (off-grid) – ten inwerter nie ma podłączenia do sieci, co jest z wiązane
  z brakiem możliwości oddania nadwyżki energii. Zazwyczaj posiada możliwość ładowania akumulatorów oraz może mieć opcję pracy w trybie przetwornicy. Często tego typu falowniki wykorzystywane są do zasilania np. domków sezonowych.

Na rynku pojawiły się już modele hybrydowe, które mogą pracować w obu trybach – sieciowym i wyspowym, natomiast w takich modelach akumulatory wykorzystywane są jako bufor energii.

Podział falowników ze względu na liczbę zasilanych fraz

Kolejnym z kryteriów wyboru falownika jest liczba zasilanych faz. Modele o małej mocy, tj. mikrofalowniki i falowniki szeregowe, o mocy do 3 kW są konstrukcjami jednofazowymi. Dla falowników o większej mocy 3-5 kW stosuje się konstrukcje jedno- i trójfazowe, natomiast dla większych mocy powyżej 5 kW wykorzystuje się falowniki trójfazowe. Zaletą inwerterów trójfazowych jest ograniczenie wartości prądu oraz równomierne prowadzanie energii do każdej z faz, co ma bezpośrednie przełożenie na mniejsze wahania napięcia oraz możliwe jest zastosowanie przewodów o mniejszych przekrojach.

Wyposażenie dodatkowe – MPP traker

Panele słoneczne (moduły PV) nie mają ustalonego punktu mocy maksymalnej (MPP). Punkt ten zmienia się w zależności od czynników takich jak warunki pogodowe, temperatury ogniw czy natężenia promieniowania. Układ MPPt (z ang. Maximum Power Point Tracker) jest odpowiedzialny za śledzenie maksymalnego punktu mocy modułów PV i jak najszybsze reagowanie, aby dopasować się do jego nowej wartości, co daje możliwość zwiększenie ilości pozyskiwanej energii nawet o kilkanaście procent. Układ MPPt to element wyposażenia każdego inwertera, którego zadaniem jest obciążenie modułów fotowoltaicznych, aby pracowały w punkcie mocy maksymalnej. Moduły MPPt potrafią wyszukiwać punkt mocy maksymalnej, gdy mamy do czynienia z łańcuchem modułów częściowo zacienionych, co pozwala na osiąganie lepszych wyników pozyskiwania energii. Na rynku dostępne są również bardziej zaawansowane inwertery, które zostały wyposażone w aż dwa układy MPPt. Takie rozwiązanie pozwala podłączyć do przetwornicy dwa łańcuchy modułów o różnej liczbie lub znajdujących się np. na przeciwległych częściach dachu.

Sprawność falownika

Sprawność falownika zależna jest od poziomu napięcia i stopnia obciążenia. Jak już zostało wspomniane odniesienie sprawności pracy inwertera do stopnia wykorzystania mocy maksymalnej w przypadku falowników transformatorowych wysokiego i niskiego napięcie zależność jest bardzo podobna. Praca inwertera jest optymalna, gdy obciążenie mieści się w zakresie 20-80% mocy nominalnej. Obciążenie powyżej 80% nie powoduje znacznego spadku sprawności, natomiast obciążenie poniżej 15-20% powoduje już nagłą utratę wydolności. Zupełnie inaczej ma się natomiast sytuacja, kiedy analizujemy sprawność falownika w odniesieniu do poziomu napięcie po stronie modułów PV. Falowniki wyposażone w transformator wysokiej częstotliwości sprawność rośnie proporcjonalnie do wzrostu napięcia i najwyższa sprawność zostaje osiągnięcia w górnym zakresie pracy. W przypadku inwerterów, które są wyposażone w transformator niskiej częstotliwości, najwyższa sprawność zostaje osiągnięta w dolnym zakresie napięcia pracy.

Praca falownika beztransformatorowego jest optymalna w momencie obciążenia urządzenia w zakresie 20-100% mocy nominalnej. Znaczny spadek utraty sprawności pojawia się w momencie obniżenia obciążenia poniżej 15%. Praca inwertera beztransformatorowego zależy w niedużym stopniu od napięcia pracy po stronie modułów PV, natomiast optymalne napięcie występuje blisko środka zakresu pracy.

Sprawność inwertera jest jednym z ważniejszych kryteriów, którymi należy się kierować przy wyborze urządzenia, ponieważ określa procent energii z generatora PV, jaki będzie przetwarzany na prąd przemienny, a następnie oddawany do sieci. Wybierając falownik na podstawie sprawności należy brać pod uwagę sprawność europejską, nie zaś sprawność maksymalną – szczytową.

Test sprawności inwerterów komunikuje o jakości pracy wybranego falownika, tzn. podaje informacje, jak wydajne jest urządzenie w różnych warunkach atmosferycznych, o różnych porach dnia, a nawet w czasie pór roku.

Sprawność europejska (EURO/CEC) jest średnią ważną sprawności falownika przy założeniu jego pracy w warunkach nasłonecznienia dla Europy środkowej. Sprawność ta uwzględnia pracę inwertera także przy obciążeniu poniżej 20%.

Sprawność maksymalna jest maksymalną możliwą do uzyskania przez inwerter sprawność konwersji prądu stałego na zmienny, zakładając optymalny zakres obciążenia i poziom napięcia po stronie modułów PV. Są to wartości, które nie oddają realnych wartości sprawności pracy falownika, ponieważ w rzeczywistych warunkach pracy inwerter zawsze będzie osiągał niższą sprawność od maksymalnej.

Okres gwarancyjny falownika

Stojąc przed wyborem sprzętu gospodarstwa domowego czy innych urządzeń elektrycznych jednym z ważnych czynników, które mają realny wpływ na decyzję o zakupie, jest okres gwarancji. Nie inaczej powinno być, wybierając urządzenia składające się na instalację fotowoltaiczną. Oferty producentów modułów PV mogą się różnić od siebie zakresem odpowiedzialności, sposobem przyjmowania zgłoszeń, a nawet czasem naprawy usterek. Ważne, aby przed zakupem urządzeń przeanalizować zakres od długości okresu ochronnego. Podobnie jak w przypadku innych sprzętów dłuży okres gwarancji, może oznaczać lepszą jakoś falowników. Warto zwrócić uwagę na oferty, których okres ochronny wynosi minimum 10 lub więcej lat.

---

Fotowoltaika – Gdańsk, Sopot, Gdynia, Trójmiasto