Falownik - Mikro, stringowy czy centralny - który wybrać do instalacji

Z uwagi na wielkość inwerterów, a także sposób konfiguracji podłączonych modułów, można podzielić je na: 

1) mikroinwertery (mikrofalowniki) – współpracujące z jednym modułem fotowoltaicznym, 

Mikrofalownik Aurora micro firmy Power One (źródło power-one.com)

2) inwertery stringowe (falowniki łańcuchowe) – obsługujące w przypadku małej instalacji fotowoltaicznej (1–30kW) wszystkie moduły fotowoltaiczne zazwyczaj wszystkie modułu łączone są jedynie szeregowo. Tylko w przypadku falowników większych mocy niektóre łańcuchy mogą być podłączone między sobą równolegle. 

Falownik aurora trio firmy Power One (źródło power-one.com)

3) inwertery (falowniki) centralne – inwertery dużej mocy (setek kW a nawet MW) przeznaczone do pracy na farmach fotowoltaicznych. Często jeden inwerter centralny może obsługiwać wszystkie moduły na całej farmie fotowoltaicznej. W przypadku zastosowania falownika centralnego moduły łączone są szeregowo w celu osiągnięcia odpowiedniego napięcia a następnie utworzone łańcuchy łączone są równolegle i zbiorcze przewody łączone są do falownika. 

Falownik ultra firmy Power One (źródło power-one.com)

Z uwagi na trzy podstawowe typy falowników można wyróżnić trzy koncepcje współpracy falowników z modułami PV.

Koncepcja instalacji poszczególnych typów falowników

Z uwagi na wysoką cenę mikrofalowniki są stosowane jedynie w mikroinstalacjach o mocy kilku kW na budynkach zwłaszcza w tedy, gdy istnieje wysokie ryzyko zacieniania modułów. Szczegółowe zalety zastosowania mikroinwerterów zostaną opisane w dalszej części publikacji. W zdecydowanej większości instalacji fotowoltaicznych stosowane są falowniki łańcuchowe, z których można budować zarówno instalacje o mocy kilku kW a nawet setek megawatów. 

 6.5 MW farma fotowoltaiczna oparta o 10kW falowniki łańcuchowe.

Choć do dużych instalacji fotowoltaicznych dedykowane są falowniki centralne, które pozwalają obniżyć jednostkowe koszty zakupu i montażu wraz z upowszechnieniem się 3-fazowych inwerterów stringowych coraz częściej nawet na bardzo dużych instalacjach stosowane rozwiązania zdecentralizowane gdzie całą farmę obsługuje kilkadziesiąt a nawet kilkaset falowników łańcuchowych zamiast jednego lub kilku falowników centralnych. Decentralizacja ma kilka zalet główną z nich są: 

• Większa odporność na awarie gdyż w przypadku uszkodzenia jednego falownika wyłączona z pracy jest tylko niewielka część elektrowni 
•  Falowniki łańcuchowe są łatwiejsze w zaprojektowaniu i zainstalowaniu 
• Falowniki łańcuchowe są łatwiejsze w serwisie wymianie 
•  Każdy z falowników łańcuchowych optymalizuje pracę tylko części modułów, przez co nie jest wymagana tak duża precyzja z zachowaniu identycznej orientacji każdego z rzędów modułów. 

 1,6 MW farma fotowoltaiczna oparta o 12kW falowniki łańcuchowe.

Zwłaszcza w przypadku montaży farmy fotowoltaicznej na terenie pochyłym zastosowanie falownika centralnego jest niewskazane gdyż nawet nieznacznie różne pochylenie modułów PV w poszczególnych częściach farmy obniżałoby wydajność pracy całej farmy. 

Reasumując: 

Mikroinwertery - stosujemy tylko w instalacjach małych mocy (kilka kW) gdy występuje zacienianie modułów PV w instalacji.

Inwertery stringowe -  stosujemy na instalacjach o mocach od kilku kW do megawatowych farm. Przy instalacjach powyżej 5kW wybieramy rozwiązania trójfazowe.W mojej ocenie przy farmach do 2 MW zdecydowanie lepiej zastosować inwertery stringowe niż centralne.

Inwertery centralne - stosujemy na dużych farmach rzędu kilku - kilkudziesięciu megawatów zwłaszcza gdy farma zlokalizowana jest na terenie płaskim z dogodnym dojazdem. Projekt, montaż i serwis w przypadku falowników centralnych zlecamy firmie która miała doświadczenie z tego typu konstrukcjami. 

Czarne chmury nad europejskim rynkiem inwerterów.

Kilka lat temu na rynku falowników synonimem słowa inwerter była nazwa produktu SMA sunny boy. Przez długie lata wśród producentów inwerterów był SMA i reszta świata. Jeszcze w 2010r. udział SMA w światowej sprzedaży falowników wynosił 40% w 2011r. spadł do 28% a w 2012r. do 25%. Zagrożona jest też pozycja innych marek Niemieckich i produkowanych w europie jak Power one, Kaco, Fronius, Refusol. Rynek producentów coraz bardziej się rozdrabnia a jak na drożdżach rosną nowe chińskie marki, których udział w rynku nie przekracza 2% jednak z uwagi na agresywną politykę eksportową chińskie produkty szybko zdobywają uznanie w Europie zwłaszcza z uwagi na korzystną cenę. Jeszcze kilka lat wstecz udział inwerterów w cenie instalacji był niewielki, przez co szukanie taniego rozwiązania w przypadku tych produktów nie miało większego sensu a niemieckie inwertery mimo wysokiej ceny cechowały się także wysoką niezawodnością. Z tego powodu to moduły stanowiące 80% ceny przyjeżdżały z Chin za to inwertery były kupowane lokalnie w Europie. Obecnie, gdy struktura kosztów instalacji PV radykalnie się zmieniła i moduły stanowią 50% ceny a inwertery 20% szukanie tańszych komponentów wśród falowników przekłada się na realne oszczędności, które są niezbędne zwłaszcza, że wysokość wsparcia w całej Europie znacząco spadła i inwestorów nie stać na zakup inwerterów w cenie 0,2 euro za Wp. Pozycja niemieckich producentów inwerterów staje się o tyle cięższa, że środek ciężkości rozwoju fotowoltaiki zaczyna przenosić się na wschód. Głębokie cięcia w stawkach gwarantowanych cen w Niemczech sprawiają że z 7,5 GW zainstalowanej mocy w 2012r. w tym roku w Niemczech powstanie prawdopodobnie nie więcej niż 2-4 GW. Spadek popytu na rodzimym rynku będzie zmuszał niemieckich producentów do szerszego wejścia na rynki wschodzące środkowo europejskie czy daleko i blisko wschodnie, które są znacznie trudniejsze dla europejskich producentów gdyż są bardzo wrażliwe cenowo i naprawdę trzeba mieć mocne argumenty i wysoką wartość dodaną, aby sprzedawać urządzenia 2 razy drożej od dalekowschodniej konkurencji.

Mikroinwertery liczne zalety z ważnym problemem.

Coraz więcej producentów inwerterów czy mówiąc po polsku przetwornic wprowadza do sprzedaży mikroinwertery dedykowane do współpracy z jednym modułem fotowoltaicznym. W tym przypadku prąd stały produkowany przez baterię słoneczną jest zamieniany na prąd przemienny bezpośrednio przy module. Następnie kolejne mikroinwertery łączone są równolegle ze sobą i finalnie z centralą za pośrednictwem, której prąd oddawany jest do sieci.

Mikroinwerter Enphase

W materiałach propagandowych (prasowych) można znaleźć informację o licznych benefitach związanych ze stosowaniem w instalacjach mikroinwerterów. Niestety producenci zazwyczaj podają jedynie jedną (korzystną) stronę danej technologii.


Zalety mikroinwerterów

Podstawową zaletą mikroinwertera jest zamiana prądu stałego na przemienny na poziomie jednego modułu fotowoltaicznego z tego powodu moduł ten może pracować z optymalną mocą i nie jest ograniczany słabszymi modułami które mogą znajdować się w łańcuchu. Standardowym problemem tradycyjnych systemów fotowoltaicznych jest utrata efektywności w przypadku pojawienia się w łańcuchu połączonych szeregowo paneli słabszych urządzeń.

Różnice w mocach poszczególnych modułów powodują że mocniejsze moduły w łańcuchu pracują jak te słabsze.

Mikroinwertery pozwalają niezależnie wykorzystać potencjał każdego z modułów

Słabsze i mocniejsze moduły zawsze będą pojawiać się w instalacji

• Po pierwsze z uwagi na pewną tolerancję mocy tych urządzeń średnio 3-10%.
• Po drugie z uwagi na nierównomierne brudzenie się modułów
• Po trzecie z uwagi na zmienną, jakość wykonania i materiałów, które będą wpływać na szybsze czy wolniejsze "zużycie" się modułów
• Po czwarte z uwagi na możliwość wystąpienia okresowych zacienień

W każdej instalacji fotowoltaicznej w mniejszym lub większym stopniu będą występować problemy nierównej mocy modułów. W tym przypadku zastosowanie mikroinwerterów pozwoli zwiększyć uzysk energii o kilka - kilkanaście procent. Jednak zazwyczaj będzie to kilka 5-10 procent. Zwiększenie uzysku o kilkanaście-kilkadziesiąt procent byłoby możliwe w skrajnych przypadkach, gdy w łańcuchach zainstalowane są wadliwe moduły lub instalacja jest często zacieniana. Są to przypadki, które nie powinny występować w prawidłowo zaprojektowanych i zamontowanych instalacjach fotowoltaicznych. 

Zaletą instalacji opartej o mikro inwertery jest możliwość monitoringu niezależnie każdego z inwerterów - każdego z panelu. Tego typu monitoring pozwala szybko zlokalizować i wyeliminować słaby moduł w instalacji, który np. uległ awarii.

Niepotwierdzoną zaletą mikroinwerterów jest także ich żywotność. Enphase lider na rynku tego typu inwerterów twierdzi, że, średni czas bezawaryjnej pracy, czyli czas, przez który może działać urządzenie bez przerwy to 119 lat. Potwierdzenie takiego rezultatu wskazywałoby dużą niezawodność tego typu urządzeń także w stosunku do klasycznych inwerterów.



Ograniczenia mikroinwerterów

Podstawową i kluczową wadą mikroinwerterów jest ich cena. W małych i średnich instalacjach w przeliczeniu na kW mocy koszt zakupu mikro - inwerterów będzie od kilkunastu do kilkudziesięciu procent wyższy niż w przypadku zastosowania centralnego inwertera. W przypadku klasycznych inwerterów centralnych wzrost mocy instalacji przekłada się na jednostkowy spadek ceny za kW mocy. W przypadku mikro-inwerterów takiego efektu nie osiągniemy.

Wśród mikro-inwerterów niema także rozwiązań wyspowych a do rzadkości należą urządzenia trójfazowe.

Problematyczna wydaje się także współpraca mikroinwerterów z panelami cienkowarstwowymi, które wymagają uziemiania tablicy inwertera.



Mikroinwertery - kiedy pomyśleć o wyborze.

Obecnie nad wyborem mikroinwerterów powinni zastanowić się inwestorzy planujący montaż małej instalacji do kilku kW mocy zwłaszcza, jeżeli np. na dachu mogą wystąpić lokalne problem z zacienieniem. Mikro-inwertery są także godnym polecenia rozwiązaniem dla inwestorów, którzy myślą o stopniowej rozbudowie swojej instalacji.

Mikro inwertery to technologia, która może mieć przed sobą przyszłość. Na rynku producentów modułów fotowoltaicznych można zaobserwować ciągłą tendencję do wzrostu mocy. Obecnie standardem są modułu ponad 200W a wielu producentów posiada w ofercie modele ponad 300W. Wraz ze wzrostem mocy modułów można spodziewać się spadku ceny za wat mocy zintegrowanego mikroinwertera.

Dobór mocy inwertera w instalacji fotowoltaicznej

W wielu opracowaniach można znaleźć informacje że moc inwertera po stronie prądu stałego powinna być 1,05 - 1,15 wyższa niż sumaryczna moc maksymalna baterii słonecznych. W mojej ocenie wskaźnik ten dla instalacji zlokalizowanych na większości obszarów Polski (poza wysokimi górami) jest zdecydowanie zawyżony a jego stosowanie prowadzi do nieefektywnej pracy inwertera. W polskich warunkach klimatycznych moduł fotowoltaiczny nigdy (poza wysokimi górami) nie osiągnie mocy nominalnej. Najwyższe wartości natężenia promieniowania słonecznego notowane w Polsce to ok. 850 - 950 W/m2 bardzo rzadko (średnio kilka godzin w roku) notowane są wartości natężenia promieniowania słonecznego w okolicy 1000W/m2. Można więc założyć że nawet w słoneczny typowy dzień warunki natężenia promieniowania słonecznego będą 5 - 15% niższe niż warunki w jakich badane są baterie słoneczne. Dodatkowo przy wysokich wartościach natężenia promieniowania słonecznego rośnie temperatura ogniw do 60 - 70 oC, co przekłada się na spadek mocy rzędu 5 -15% w stosunku do mocy nominalnej baterii słonecznej. Do tego należy uwzględnić spadek mocy na przewodach oraz wynikający z zakurzenia instalacji. Z tego względu w polskich warunkach klimatycznych maksymalna rzeczywista moc instalacji fotowoltaicznej DC nie będzie przekraczać nawet krótko trwało 90% mocy nominalnej a długo trwało 80% mocy wyznaczonej w warunkach STC. Z tego względu w mojej ocenie optymalnie dobrana moc inwertera powinna wynosić 85-90% wartości mocy instalacji.

Przykładowa charakterystyka sprawności inwertera transformatorowego na przykładzie SUNNY BOY 3600 TL firmy SMA

Przyglądając się charakterystyką sprawności inwerterów łatwo zauważyć, że zarówno konstrukcje transformatorowe jak i beztransformatorowe pracują bardzo nie efektywnie w dolnych zakresach mocy. Wyraźny spadek efektywności zaczyna być widoczny przy obciążeniu inwertera mocą poniżej 30% mocy nominalnej. Z tego względu przewymiarowanie mocy inwertera w stosunku do mocy modułów fotowoltaicznych będzie skutkować spadkiem sprawności konwersji prądu stałego na przemienny.

W/m2	kWh/rok		Przybliżony stopień obciążenia inwertera
Wartość natężenia promieniowania słonecznego	Ilość energii docierająca do instalacji w danym przedziale natężenia promieniowania słonecznego	Procentowy  udział energii  w danym  przedziale	1,1:1	1:1	0,9:1	0,8:1	Stosunek  mocy inwertera do  instalacji PV
900-1000	11,5392	1,10%	0,9-0,8	1-0,9	1-1,1	1,1-1,2
800-900	30,2278	2,89%	0,8-0,7	0,9-0,8	1-0,9	1-1,1
700-800	53,1489	5,08%	0,7-0,6	0,8-0,7	0,9-0,8	1-0,9
600-700	96,1637	9,20%	0,6-0,5	0,7-0,6	0,8-0,7	0,9-0,8
500-600	133,2412	12,74%	0,5-0,4	0,6-0,5	0,7-0,6	0,8-0,7
400-500	170,9248	16,35%	0,4-0,3	0,5-0,4	0,6-0,5	0,7-0,6
300-400	174,6331	16,70%	0,3-0,2	0,4-0,3	0,5-0,4	0,6-0,5
200-300	157,9091	15,10%	0,2-0,1	0,3-0,2	0,4-0,3	0,5-0,4
100-200	148,9584	14,25%	0,1-0	0,2-0,1	0,3-0,2	0,4-0,3
0-100	68,7983	6,58%	0	0,1-0	0,2-0,1	0,3-0,2

Jak pokazuje powyższa tabela znacznie, bo aż 45% energii dociera do instalacji fotowoltaicznej w zakresie niskiego natężenia promieniowania słonecznego 100 - 400 W/m2 to zacznie więcej niż ilość energii, jaka dociera w zakresie wysokiego natężenia promieniowania 700 - 1000 W/m2 gdzie jest to zaledwie niecałe 9%. Z analizy wynika, że każde przewymiarowanie instalacji będzie przyczyniać się do nieefektywnej pracy inwertera przy przetwarzaniu znacznej części energii. Z kolei nie dowymiarowanie inwertera spowoduje efektywniejszą jego pracę przy niskich wartościach nasłonecznienia 100 - 300 W/m2 przy ryzyku wyłączenia i niezagospodarowania zaledwie 1% energii.

Więcej o doborze inwerterów w przygotowywanej książce o małych instalacjach fotwoltaicznych