Inwerter solarny w fotowoltaice – rodzaje i typy

Przykład inwertera dla instalacji fotowoltaicznej na ziemi

Fotowoltaika opiera swoje działanie na wytwarzaniu energii elektrcznej w panelach fotowoltaicznych, które pochłaniają promieniowanie słoneczne. Decydując się na montaż instalacji fotowoltaicznej powinniśmy zwrócić szczególną uwagę na odpowiednie dobranie jej elementów. Na efektywność pracy instalacji zawiera się nie tylko umiejscowienie paneli, dobranie ich typu i mocy ale również parametry inwertera. Poniżej opisano, jakie funkcje spełnia inwerter oraz jakie typy i rodzaje są dostępne na rynku.

Fotowoltaika pozwala obniżyć rachunki za prąd z 3 332 zł rocznie do 144,62 zł rocznie przez 15 lat. Sprawdź, czy Twój dom lub Twoja firma spełnia warunki, aby instalacja fotowoltaiczna była opłacalna:

Spis treści:

Jak działa inwerter

Inwerter, nazywany również falownikiem lub przetwornicą, odpowiada za przekształcenie prądu stałego na zmienny. Panele fotowoltaiczne wytwarzają prąd stały, który dopiero po przekształceniu na prąd zmienny (o parametrach 230V, 50Hz), który nadaje się do zasilania urządzeń domowych.

Falownik tworzą układy wejściowe, układ przetwarzający i zabezpieczenia.

Układy wejściowe obsługują połączenie z panelami fotowoltaicznymi i zapewniają bezpieczeństwo. Dodatkowo monitorują pracę ogniw, by określać maksymalny punkt pracy modułów (MPPT).

Układ przetwarzający odpowiada za zamianę prądu stałego przekazywanego z paneli na prąd zmienny. Pełni też funkcję komunikacyjną łącząc się z siecią i przedstawiając informacje o działaniu (na monitorze LCD lub przez interfejs WWW).

Rolą zabezpieczeń jest utrzymywanie bezpiecznego i wydajnego połączenia z siecią, które przekłada się na pracę instalacji.

Inwerter stale monitoruje parametry sieci (napięcie i częstotliwość), a w wyniku potrzeby inicjuje odpowiedź na zmiany. Przykładowo jeśli parametry sieci nie będą się mieściły w dopuszczalnym zakresie, falownik przerwie połączenie z siecią.

Wśród parametrów określających inwerter wymieniamy:

Parametry wejściowe (maksymalne napięcie wejściowe, maksymalna moc wejściowa (DC), maksymalny prąd na jedno wejście, ilość wejść, zakres napięcia MPPT);
Parametry wyjściowe (maksymalna moc wyjściowa (AC), układ faz, zakres częstotliwości, zakres synchronizacji napięcia wyjściowego, sprawność);
Pozostałe parametry (napięcie wyjściowe międzyfazowe, wymiary i waga, dodatkowe zabezpieczenia AC/DC, sposób chłodzenia układów, sposób zamiany prądu DC na AC, układy monitorujące parametry elektryczne).

Podział inwerterów ze względu na połączenie z siecią

Przykład instalacji sieciowej, schemat komunikacji między modułami a siecią

W zależności od tego, czy inwerter łączy się z siecią, można stosować podział na falowniki sieciowe i wyspowe.

Inwerter wyspowy (off-grid)

Taki inwerter nie nawiązuje połączenia z siecią. Oznacza to, iż nie może oddawać do niej energii, ale zazwyczaj ma możliwość ładowania akumulatorów. Falowniki wyspowe dostosowują napięcie jedynie do potrzeb podłączonych urządzeń lub akumulatorów. Często mikroinwertery i inwertery stringowe są jednocześnie inwerterami wyspowymi. Tego typu rozwiązanie często stosuje się w domkach letniskowych.

Inwerter sieciowy (on-grid)

Nawiązuje połączenie z siecią i dzięki temu może oddawać nadwyżki produkowanej energii, nie może jednak ładować akumulatorów. Ze względu na połączenie z siecią, inwertery dostosowują napięcie do tego sieciowego. W przypadku zaniku napięcia w sieci instalacja fotowoltaiczna również nie będzie produkować prądu. Jest to związane z zabezpieczeniem antywyspowym, ponieważ osoby zajmujące się naprawą awarii mogłyby zostać porażone prądem z lokalnych mikroźródeł. Na rynku pojawiają się inwertery, które dzięki wykorzystaniu urządzeń separujących instalację umożliwiają pracę wyspową. Często inwertery centralne są jednocześnie sieciowymi.

Podział inwerterów ze względu na wielkość instalacji

Biorąc pod uwagę ten podział doboru inwertera dokonuje się określając ilość paneli, które będą tworzyć instalację. Wyróżniamy:

mikroinwertery (współpracują z jednym panelem),
inwertery stringowe (przeznaczone dla małych instalacji do 30kW),
inwertery centralne (obsługują duże instalacje np. farmy fotowoltaiczne, których moc osiąga kilkaset kW).

Podział inwerterów ze względu na ilość faz

W zależności od tego, do ilu faz przyłącza się falownik, stosuje się podział na jedno i trzyfazowe. Fazy pozwalają na zmniejszenie obciążenia sieci, gdyż jednorazowo może być do niej podłączonych więcej urządzeń. Podział na fazy umożliwia równomierne rozłożenie obciążenia.

Falowniki jednofazowe

Są stosowane w instalacjach o małej mocy (do kilku kW), łączą się z siecią za pomocą trzech przewodów: L, N, PE.

Przewody dzielimy na: L (fazowy), N (neutralny) i PE (ochronny).

Inwerter podłącza się pod najbardziej obciążoną podczas dnia fazę, gdy pracuje instalacja fotowoltaiczna. Przykładowo jeśli instalacja produkuje 3kW, a odbiorniki pobierają na każdej z faz pobierają po 1kW, inwerter zaspokoi potrzeby jedynie jednej fazy, na którą jest wpięty, a nadwyżkę 2kW odda do sieci. Na pozostałych dwóch fazach odbiorniki będą pobierały po 1kW z sieci.

Jeśli istnieje faza, podczas której występuje największe zużycie, różnica między wykorzystaniem inwertera jedno a trójfazowego maleje. Przykładowo jeśli jedna z faz jest wykorzystywana tylko do zasilania oświetlenia (pobór energii następuje poza czasem pracy paneli fotowoltaicznych), inwerter jednofazowy może przynieść większe korzyści.

Falowniki trójfazowe

Przeznaczone dla większych instalacji o mocy wyższej niż kilka kW. Połączenie z siecią nawiązują za pomocą przewodów: L1, L2, L3, N, PE.

Przewody dzielimy na: L1, L2, L3 (fazowe), N (neutralny) i PE (ochronny).

Nawet w przypadku falowników o niższej mocy te trójfazowe w porównaniu do jednofazowych osiągają lepsze wyniki. Przede wszystkim równomiernie wprowadzają energię do każdej z faz dzięki czemu rozkładają obciążenie w budynku, ograniczają też wartość prądu w każdej z faz dzięki czemu sieć jest stabilniejsza.

Większość budynków posiada trójfazową instalację elektryczną, z tego powodu lepiej sprawdzi się w niej inwerter trójfazowy. Zapewni on symetryczne zasilanie każdej z faz. Dla podanego wcześniej przykładu instalacji produkującej 3kW inwerter trójfazowy rozdysponuje moc na bieżące potrzeby każdej z faz. Dzięki temu nie będzie potrzeby pobierania z sieci, a zaspokajania potrzeb całkowicie wykorzystując bieżącą produkcję energii. Wzrost autokonsumpcji czyli poziomu wykorzystania wyprodukowanej energii na własne potrzeby oznacza spadek wydatków związanych z poborem energii na pokrycie niedoborów.

Podział inwerterów ze względu na transformator

Transformator pozwala na oddzielanie strony prądu stałego, który wytwarza instalacja fotowoltaiczna od strony prądu zmiennego sieci.

Falowniki transformatorowe

Zazwyczaj występują w urządzeniach o dużej mocy. Wśród nich występuje podział na inwertery z transformatorem niskiej częstotliwości LF i inwertery fotowoltaiczne wysokiej częstotliwości HF. Najlepsze wyniki pracy falowniki transformatorowe osiągają, gdy są obciążone w 20-60% mocy nominalnej, ale przekroczenie tego poziomu obciążenia nie wpływa znacząco na spadek wydajności. Z drugiej strony jeśli obciążenie jest niższe niż 15%, utrata sprawności jest znacząca. Dolny zakres napięcia pracy daje lepszą efektywność pracy falownika.

Falowniki niskiej częstotliwości posiadają transformator na wyjściu, którego częstotliwość pracy wynosi 50Hz. Są zbudowane w prosty sposób, co przyczynia się do ich niskiej awaryjności. Jednocześnie do wad należy stosunkowo duży ciężar i niska wydajność.

Falowniki fotowoltaiczne mają transformator na wejściu, a częstotliwość mieści się w zakresie 20-24Hz. Cechują się większą wydajnością, są lżejsze i dają większe bezpieczeństwo. Ze względu na bardziej skomplikowaną konstrukcję są bardziej awaryjne. Mimo wszystko inwerter HF jest lepszym rozwiązaniem.

Falowniki beztransformatorowe

Są popularniejsze od opisanych wyżej transformatorowych. Ze względu na brak transformatora są stosunkowo lekkie, ale ich moc jest porównywalna do transformatorowych. Nawet w warunkach zróżnicowanego obciążenia działają sprawnie, mają również szeroki zakres napięciowy działania. Niestety ze względu na to, iż nie zapewniają galwanicznej separacji prądu AD i DC wymagają dodatkowej instalacji urządzenia pomiarowego i zabezpieczającego.

Jeśli obciążenie falownika mieści się granicach 25-100% mocy nominalnej, działa on optymalnie. Im wyższe obciążenie, tym wyższa sprawność falownika, ale w przypadku spadku obciążenia poniżej 15% znacznie spada sprawność urządzenia. Napięcie nie wpływa znacząco na sprawność, ale optymalny poziom napięcia mieści się w środku zakresu napięcia pracy.

Na co zwracać uwagę wybierając inwerter dla instalacji fotowoltaicznej

Pośród cech inwerterów istnieje jeszcze kilka innych niewymienionych wyżej. Niektórym z nich warto poświęcić więcej uwagi dokonując wyboru urządzenia.

Sprawność inwertera

Oznacza ona stosunek skutecznej mocy elektrycznej wyjściowej mocy AC do elektrycznej mocy wejściowej prądu DC. A więc wzór określający sprawność wygląda następująco:

η = moc wyjściowa P_AC/ moc wejściowa P_DC

Trudno o sytuację, w której falownik działa z maksymalną sprawnością. Dokonując wyboru należy pamiętać, że jest ona jedynie pochodną mocy wejściowej i wyjściowej, a nie wartością bezwzględną. Na sprawność wpływa również jakość i szybkość adaptacji urządzenia MPPT.

MPPT (Maximum Power Point Tracker; śledzenie maksymalnego punktu mocy)

Instalację fotowoltaiczną zazwyczaj tworzy kilka szeregowo połączonych modułów. Dzięki temu wartości napięć poszczególnych modułów są sumowane i dopasowywane do inwertera. W konsekwencji każdy z modułów ma taką samą ilość prądu.

MPP (Maximum Power Point) czyli maksymalny punkt mocy nie jest domyślnie określany dla paneli. Wpływają na niego natężenie promieniowania i temperatura, ponieważ zmianom ulega wtedy charakterystyka prądowo-napięciowa. Dzięki wykorzystaniu MPPT możliwe jest śledzenie punktu maksymalnej mocy i szybsze dostosowanie nowej wartości. Na rynku istnieją układy MPPT, które potrafią znaleźć globalny punkt mocy nawet dla modułów, które są częściowo zacienione. Dokładny i sprawny system MPPT może podnieść sprawność instalacji nawet bardziej niż sama sprawność inwertera.

Chłodzenie

Zawsze, gdy urządzenie elektryczne przetwarza energię, produkuje ciepło wynikające z oddawania straty energii. Nagrzewanie się inwertera podczas pracy jest normalnym zjawiskiem. Często producenci decydują się na zastosowanie regulowanego przepływu powietrza, który chłodzi elementy elektroniczne. Dzięki temu inwerter ma lepsze warunki pracy, a to przekłada się na jego dłuższą żywotność.

Podsumowanie

Dobór inwertera jest kluczowym elementem tworzenia instalacji, który przekłada się na późniejszą pracę systemu fotowoltaicznego. Warto poświęcić temu tematowi więcej czasu, gdyż ostatecznie to wpływa na opłacalność całej inwestycji. Wybierając falownik oprócz ceny należy sprawdzić:

sprawność (szczególnie przy częściowym obciążeniu),
wyszukiwanie i utrzymywanie MPP,
zakres temperatur pracy,
serwisowanie w lokalnym punkcie,
certyfikaty oraz zgodność z normami i przepisami,
łatwość kontroli działania, monitorowania pracy i zgłaszania usterek.