Energia słoneczna odgrywa coraz większą rolę w transformacji globalnego systemu energetycznego w kierunku odnawialnych źródeł energii. Instalacje fotowoltaiczne, wykorzystujące moduły PV do zamiany promieniowania słonecznego na prąd elektryczny, stają się coraz popularniejsze także w Polsce. Kluczowym elementem każdej instalacji PV jest falownik, którego zadaniem jest konwersja wytworzonego przez moduły prądu stałego na prąd przemienny. Wybór odpowiedniego falownika ma kluczowe znaczenie dla wydajności i bezpieczeństwa całej instalacji fotowoltaicznej. Dlatego warto dokładnie zrozumieć, jakie są rodzaje falowników PV, jak działają, od czego zależą ich parametry oraz jak prawidłowo dobrać model do konkretnej instalacji i właściwie go eksploatować. Poniższy artykuł szczegółowo omawia te zagadnienia.
Rodzaje falowników fotowoltaicznych
Falowniki centralne
Falowniki centralne, zwane również falownikami strony AC, podłącza się bezpośrednio do sieci energetycznej. Cała moc z instalacji fotowoltaicznej jest w nich agregowana za pomocą szeregowo-równoległego połączenia stringów paneli i przekazywana do pojedynczego falownika. Falowniki centralne stosuje się w dużych instalacjach powyżej ok. 10-20 kW.
Zaletą tego rozwiązania jest niska cena jednostkowa mocy. Wadą - mniejsza niezawodność, gdyż awaria pojedynczego dużego falownika wyłącza cały system. Typowa sprawność falowników centralnych wynosi ok. 98%.
Falowniki stringowe
Falowniki stringowe (łańcuchowe) podłącza się bezpośrednio do pojedynczego stringu paneli fotowoltaicznych. Pozwalają na pełną niezależność pracy poszczególnych ciągów. Stosuje się je w instalacjach o mocy od ok. 5-10 kW w górę.
Zaletą jest wysoka niezawodność - awaria jednego falownika nie wpływa na pracę całego systemu. Wadą - wyższa cena jednostkowa w porównaniu z falownikami centralnymi. Typowa sprawność wynosi ok. 97-98%.
Falowniki modułowe
Falowniki modułowe (mikrofalowniki) montuje się bezpośrednio przy każdym module lub niewielkiej grupie modułów PV. Pozwalają na maksymalną elastyczność i niezawodność systemu. Stosowane w instalacjach o mocy od ok. 1 kW w górę.
Zaletą jest wysoka odporność na awarie i łatwość rozbudowy. Wadą - najwyższa cena jednostkowa. Sprawność modułowych falowników to ok. 96-97%.
Budowa falowników fotowoltaicznych
Układ prostowniczy
Pierwszym elementem falownika jest układ prostowniczy, który zamienia prąd stały wytwarzany przez moduły PV z postaci przemiennej w stałą. Odbywa się to za pomocą diod lub tranzystorów. Prostownik zapewnia także odpowiednie dostosowanie napięcia do optymalnej pracy falownika.
Układ podnoszący napięcie
Kolejnym elementem jest boost converter, czyli układ podwyższający napięcie z poziomu paneli PV (zwykle kilkuset woltów) do wartości wymaganej przez falownik, czyli ok. 600-1000 V. Osiąga się to za pomocą cewki i tranzystorów mocy pracujących z wysoką częstotliwością.
Układ falownika
Następnie napięcie stałe jest zamieniane na przemienne za pomocą układu falownika. Kluczowym elementem są tranzystory IGBT, które z odpowiednią częstotliwością otwierają i zamykają obwód, generując napięcie zmienne o pożądanej amplitudzie i częstotliwości.
Układ filtrujący
Na końcu znajduje się filtr dolnoprzepustowy, który redukuje zakłócenia i wygładza krzywą napięcia na wyjściu, dostosowując parametry do wymogów sieci elektrycznej.
Czytaj więcej: Fotowoltaika - czy potrzebne jest pozwolenie na budowę?
Zasada działania falowników fotowoltaicznych
Prostowanie prądu
Moduły PV generują prąd o zmiennym napięciu. Pierwszym etapem konwersji jest więc jego wyprostowanie za pomocą diod lub tranzystorów w układzie prostowniczym. Po tej fazie na wyjściu otrzymujemy stałe napięcie.
Podwyższanie napięcia
Następnie specjalny converter DC-DC, wykorzystujący cewkę i tranzystory mocy, podwyższa napięcie stałe z poziomu paneli PV do odpowiedniej wartości wejściowej falownika, wynoszącej zwykle 600-1000 V.
Konwersja na prąd przemienny
Sercem falownika są tranzystory IGBT, które poprzez cykliczne otwieranie i zamykanie obwodu, z odpowiednią szybkością, konwertują napięcie stałe na przemienne o pożądanej częstotliwości (50 Hz lub 60 Hz) i amplitudzie.
Filtracja zakłóceń
Ostatnim etapem jest filtracja za pomocą dolnoprzepustowego filtru LC, który redukuje zakłócenia i dostosowuje parametry napięcia wyjściowego do wymogów sieci energetycznej.
Parametry falowników fotowoltaicznych
Moc nominalna
Podstawowym parametrem jest moc nominalna falownika, określająca maksymalną moc PV, jaką jest on w stanie przetworzyć. Powinna być dopasowana do mocy instalacji. Zbyt mała grozi ograniczeniem produkcji, za duża - nieopłacalnością.
Napięcie wejściowe i wyjściowe
Ważne są też napięcia wejściowe i wyjściowe. Wejściowe powinno pokrywać się z napięciem systemu PV przy maksymalnym punkcie mocy. Wyjściowe musi odpowiadać parametrom sieci dystrybucyjnej.
Sprawność
Sprawność określa stosunek mocy wyjściowej do wejściowej. Im wyższa, tym mniej energii tracone jest na konwersję. Najwyższą sprawność mają falowniki centralne, najniższą - modułowe.
Współczynnik zniekształceń
Współczynnik THD informuje o jakości energia na wyjściu - im niższy, tym mniej zakłóceń wprowadza falownik. Dobre falowniki osiągają THD poniżej 5%.
Dobór falownika fotowoltaicznego
Parametry instalacji PV
Kluczowe jest określenie dokładnych parametrów instalacji - jej mocy szczytowej, napięcia systemu, liczby i konfiguracji stringów paneli. Pozwoli to ustalić optymalną moc i topologię falownika.
Moc falownika
Moc falownika powinna być o ok. 10-20% wyższa niż moc szczytowa instalacji PV. Zapewni to jego prawidłową pracę nawet przy wysokim nasłonecznieniu i niskich temperaturach.
Napięcie falownika
Napięcie wejściowe falownika musi pokrywać cały zakres napięć systemu PV przy zmiennym nasłonecznieniu. Różnica nie powinna przekraczać 10%.
Liczba mppt
Większa liczba trackerów MPPT zwiększa elastyczność i pozwala na niezależną pracę stringów. Minimum to 1 MPPT na jeden string.
Eksploatacja i konserwacja falowników
Warunki pracy falownika
Aby zapewnić poprawną pracę, falownik należy zainstalować w miejscu zacienionym i przewiewnym, z dala od źródeł ciepła. Należy go użytkować zgodnie z instrukcją.
Diagnostyka i usuwanie usterek
Awarie sygnalizowane są kodami błędów. Należy je zdiagnozować i dokonać potrzebnych napraw, np. wymiany wentylatora lub kondensatora. Czasem konieczny jest kontakt z serwisem.
Przeglądy okresowe
Należy wykonywać coroczne przeglądy obejmujące kontrolę połączeń, czyszczenie, pomiar napięć i prądów oraz testy działania. Pozwoli to wykryć usterki we wczesnej fazie.
Tagi
Udostępnij
