Czy niskie napięcie startu falownika ma uzasadnienie?

Panuje przekonanie że im niższe napięcie startu falownika fotowoltaicznego tym lepiej gdyż szybciej zacznie on pracę i przez to wyprodukuje więcej energii szczególnie rano. Teza ta wydaje się logiczna. Wcześniejsza praca to więcej godzin pracy a co za tym idzie większe uzyski energii. Niemniej jednak jeśli byłaby ona prawdziwa producenci falowników w zdecydowanej większości dążyłby do obniżania napięcia startu i pracy. Tak się jednak nie dzieje z kilku powodów a jednym z nich jest eliminacja pracy falownika przy zasilaniu energią z sieci. 

Aby to wyjaśnić warto przypomnieć jak zmienia się napięcie oraz prąd modułu fotowoltaicznego wraz ze zmianami natężenia promieniowania słonecznego.

Zależność prądu i napięcie na module PV w zależności od natężenia promieniowania słonecznego

Prąd zmienia się praktycznie prostoliniowo to znaczy że dwa razy wyższe natężenie promieniowania słonecznego generuje dwa razy wyższy prąd i odwrotnie. Z kolei napięcie przy wysokich wartościach natężenia promieniowania słonecznego zmienia się nieznacznie i jest bliskie napięciu nominalnemu (tu temperatura ma duże znaczenie). Jednak jeżeli natężenie promieniowania słonecznego zaczyna przyjmować bardzo niskie wartości a szczególnie poniżej 200 W/m2 napięcie także zaczyna wyraźnie spadać. W konsekwencji przy ok 100 W/m2 wartość prądu wynosi prawie dokładnie 10% wartości nominalnej prądu z kolei napięcie ok 50-60% wartości nominalnej. Znaczenie ma tu rezystancja szeregowa i równoległa ogniwa i nie każde ogniwo będzie przyjmować dokładnie te same wartości. Niemniej jednak konsekwencją tego stanu rzeczy jest fakt że przy 10 % nominalnego natężenia promieniowania słonecznego moduł PV jest w stanie generować jedynie ok 5% mocy nominalnej a przy 5 % nominalnego natężenia promieniowania słonecznego moduł PV jest w stanie generować jedynie ok 1,5 % mocy nominalnej. - > krzywoliniowa zmiana. 

Warto także dodać że krzywa prądowo - napięciowa przy bardzo niskim natężeniu promieniowania słonecznego wygląda odmiennie od tej z warunków STC.

Porównanie charakterystyki prądowo - napięciowej w warunkach STC i przy bardzo niskim natężeniu promieniowania słonecznego 

W praktyce przy bardzo niskim natężeniu promieniowania słonecznego poniżej 100 W/m2 falownik w praktyce pracuje bardzo blisko napięcia obwodu otwartego co w konsekwencji powoduje że pozyskiwana przez niego moc z modułów PV jest jeszcze niższa od mocy teoretycznej. W rzeczywistości rozpoczęcie pracy przez falownik przy bardzo niskim napięciu np. poniżej 150 V dla falownika trójfazowego może oznaczać że o poranku moc możliwa do pozyskania z modułów PV będzie mniejsza niż ta potrzebna do zasilenia jego obwodów co w konsekwencji prowadzi do sytuacji w której falownik zamiast produkować energii i wprowadzać ją do sieci musi ją z niej pobrać aby się zasilić. Dlatego też podnoszenie argumentów że niższe napięcie startu jest korzystniejsze można potraktować jako chwyt marketingowy. Bardzo często pobór energii z sieci przez falownik jest maskowany przez oprogramowania które nie pozwala na przyjmowanie wartości ujemnych dla produkcji energii.

Jaki wybrać falownik do instalacji fotowoltaicznej?

Falownik to kluczowe urządzenie dla efektywnej pracy instalacji PV dlatego jego wyborowi warto poświęcić więcej uwagi a szczególnie kierować się potrzebami i funkcjonalnościami a nie marką. 

1 falownik transformatorowy czy beztransformatorowy?
Pierwszy podział na falowniki transformatorowe i beztransformatorowe to historycznie jeden z najstarszych podziałów. Niemniej jednak obecnie poza pewnymi niszowymi zastosowaniami na rynku dominują falowniki beztransformatorowe dlatego że:

• Są wydajniejsze co znaczy mają wyższą sprawność,
• Pracują w szerszym zakresie napięciowym,
• Są lżejsze i cichsze.

Z tego też powodu jedynym rozsądnym wyborem powinien być zdecydowanie falownik beztransformatorowy.

2. Mikro, szeregowy czy centralny
Drugi podział falowników bazuje na wielkości. Wyróżniamy tu mikrofalowniki, falowniki szeregowe oraz centralne.

mikrofalownik Enphase IQ7+ źródło Enphase

Falownik szeregowy KTL-MO źródło Huawei

Falownik centralny SMA Sunny Central 630MV źródło SMA

Myśląc o mikroinstalacji możemy od razu odrzucić falowniki centralne, które dedykowane są dla dużych Farm fotowoltaicznych. Dlatego realnym wyborem będą mikrofalowniki oraz falowniki szeregowe. Porównując te dwa rozwiązania warto powiedzieć że falowniki szeregowe będą pracować z wyższą sprawnością po drugie w przypadku awarii falownik szeregowy jest znacznie łatwiejszy do serwisowania dlatego że znajduje się w miejscu do którego jest łatwy dostęp. Z kolei mikrofalowniki są montowane pod modułami dlatego w przypadku awarii konieczny jest demontaż modułu a następnie mikrofalownika. Oczywiście mikrofalowniki mają też swoje zalety takie jak duża elastyczność w doborze instalacji i rozmieszczeniu modułów oraz wyższa wydajność przy częściowym zacienieniu instalacji ale te funkcjonalności mogą realizować również falowniki szeregowe współpracujące z optymalizatorami moc. Z tego powodu zazwyczaj najlepszym wyborem jest falownik szeregowy a w przypadku trudnego montażu falownik szeregowy współpracujący dodatkowo z optymalizatorami mocy. Na mikrofalowniki warto postawić jeżeli planujemy stopniową rozbudowę instalacji.

3. System MLPE (smart) czy klasyczny.
Ważnym podziałem jest podział na systemy wykorzystujące optymalizatory mocy lub mikrofalowniki nazywane systemem MLPE (Module-level power electronics) lub systemem smart. System Smart powinien być stosowany w miejscach w których moduły fotowoltaiczne muszą być ustawione pod różnymi kątami i azymutami na przykład z uwagi na skomplikowane konstrukcje dachu. Innym przypadkiem kiedy szczególnie warto wybrać MLPE jest zacienienie którego nie można uniknąć na przykład od kominów jaskółek czy drzew a dostępna przestrzeń montażowa nie pozwala na odsunięcie się na odpowiednią odległość od tych elementów.

Optymalizatory mocy SolarEdge-P300-505 źródło SolarEdge

Z kolei jeżeli montaż jest wykonywany w miejscu wolnym do zacienień a moduły fotowoltaiczne są skierowane w jedną stronę pod tym samym kątem i azymutem lepszym wyborem będzie system klasyczny opartym o falownik szeregowy chociażby z uwagi na korzystniejszą cenę. 

4. Jeno czy trzy trójfazowy.
Kolejnym kryterium wyboru choć ostatnio bardzo wąskim to wybór między falownikiem jednofazowy a trójfazowym. Z uwagi na zmiany w kryteriach przyłączenia mikroinstalacji przez zakłady energetyczne powyżej mocy 3,68 kW jedynym wyborem jest falownik trójfazowy. Z drugiej strony przy instalacji o mocy poniżej 3 kW z uwagi na dostępność jedynym realnym wyborem jest falownik jednofazowy. Wybór w praktyce pojawia się jeżeli moc instalacji jest w przedziale 3 do 3,68 kW. Dla tego przedziału mocy dostępne są zarówno falowniki jedno jak i trójfazowe. W tym przypadku zazwyczaj lepszym wyborem będzie zastosowanie falownika jednofazowego szczególnie z dwóch powodów. Posiada on korzystniejszą niższą cenę po drugie 3 kilowatowa instalacja po stronie DC daje prawie optymalne napięcie do pracy falownika jednofazowego z kolei falownik trójfazowy wymaga znacznie wyższego napięcia i przy tak małych mocach często nie pracuje w pełni optymalnie. Falownik trójfazowy bardzo małej mocy ma uzasadnienie jedynie w miejscach gdzie ze względów na słabą infrastrukturę energetyczną występuje wysoka impedancja która skutkuje problemami ze wzrostem napięcia w punkcie przyłączenia.

5. Liczba i rodzaj MPPT
Poza wyjątkami zastosowania falownika dedykowanego do współpracy z optymalizatorami mocy, każdy falownik będzie musiał być wyposażony w moduł MPPT. I tu warto pamiętać że większa liczba MPPT jest korzystna pod warunkiem że każdy MPPT pracuje z napięciem bliskim optymalnym wartością. Dla falownika jednofazowego jest to ok 350 V dla falownika trójfazowego ok. 600 V. Co oznacza że przy falowniku trójfazowym małej mocy 3-4 kW wykorzystywanie drugiego MPPT nie jest zasadne jeżeli wszystkie moduły PV są pod tym samym kątem i azymutem oraz jeżeli nie występują zacienienia. Wybierając falownik warto sprawdzić także czy MPP tracker posiada funkcję szukania punktu globalnego MPPT. Tego typu funkcje różnie nazywane u różnych producentów znacznie zwiększają wydajność przy zacienieniu.

6. Monitoring
Obecnie standardem jest globalny monitoring pracy falownika dlatego wybierając producenta należy sprawdzić czy udostępnia on za darmo dostęp do systemu monitorowania pracy na urządzenia mobilne i komputer. Przy monitoringu warto także sprawdzić jaki zakres danych jest zbierany. Na co dzień wystarczają dane o mocy, ilości energii oraz błędach (prędzej czy później zawsze się zdarzą ). Jeżeli instalacja zaczyna pracować nieprawidłowo bardzo przydatne stają się rozszerzone dane z monitoringu takie jak prądu oraz napięcia po stronie DC, prądy napięcia i częstotliwość po stronie AC. Analiza tych danych często pozwala określić przyczynę nieprawidłowej pracy instalacji PV.

-----------------------------------------