Zadzwoń 505 131 352

Jak działa falownik fotowoltaiczny

Co to jest falownik (inwerter) fotowoltaiczny i jakie są jego funkcje

Autor: Ryszard

Utworzony: 27 stycznia 2018

Falownik fotowoltaiczny - jak działa?

Jedną z najbardziej niewiarygodnych rzeczy w fotowoltaice jest jej prostota. Bez względu na to czy fotowoltaika ma zastosowanie w kalkulatorze z bateriami solarnymi o mocy mniejszej niż 1 W czy też na 100 MW farmie fotowoltaicznej, wszystko czego potrzeba pomiędzy panelami fotowoltaicznymi a odbiornikiem to komponenty elektroniczne i elektryczne.

Większe systemy PV wymagają większej ilości zabezpieczeń elektrycznych i okablowania, ale najbardziej złożonym komponentem pomiędzy panelami fotowoltaicznymi a odbiornikiem elektrycznym jest komponent elektroniczny, który przekształca energię elektryczną oraz nadaje jej kształt sinusoidy: falownik fotowoltaiczny zwany też inwerterem fotowoltaicznym.

W przypadku instalacji fotowoltaicznych podłączonych do sieci (on-grid), falownik solarny jest jedynym urządzeniem elektronicznym potrzebnym pomiędzy panelami fotowoltaicznymi a siecią elektroenergetyczną. Instalacje wyspowe (odłączone od sieci / off-grid) stosują dodatkowy przetwornik pomiędzy panelami a akumulatorami oraz falownik solarny z wbudowaną funkcją ładowania. W tym artykule omówimy sposób działania falowników fotowoltaicznych.

GŁÓWNE FUNKCJE FALOWNIKÓW FOTOWOLTAICZNYCH

Wszystkie podłączone do sieci (on-grid) falowniki solarne posiadają trzy cechy wspólne:

- przekształcanie energii prądu stałego w energię prądu zmiennego o odpowiedniej częstotliwości,

- śledzenie punktu mocy maksymalnej,

- odłączanie od sieci.

Przekształcanie energii prądu stałego w energię prądu zmiennego.

Stąd też pochodzi angielska nazwa: inwerter, czyli odwrotne działanie. Inaczej niż w przypadku małych instalacji wyspowych czy gadżetów fotowoltaicznych, stosowanie bezpośrednio prądu stałego nie jest zbyt praktyczne.

Pomimo tego, iż niektóre odbiorniki w naszych domach i firmach wykorzystują prąd stały, duże odbiorniki oraz infrastruktura do przesyłu prądu opiera się na prądzie zmiennym. Ta sytuacja wywodzi się z czasów Edisona i Tesli, kiedy to prąd zmienny pokonał prąd stały.

Istotnym powodem takiej sytuacji jest możliwość zwiększania napięcia i przesyłu na duże odległości przy minimalnych stratach.

W falowniku fotowoltaicznym, prąd stały jest przekształcany w prąd zmienny za pomocą przełączników, które ogólnie rzecz biorąc przełączają się tworząc prąd zmienny.

Ważnym parametrem podczas przekształcania prądu stałego w zmienny jest sprawność tej operacji. W celu osiągnięcia maksymalnej sprawności (a tym samym generowania jak najmniejszych strat), wszystkie układy muszą być zsynchronizowane, wszystkie komponenty (półprzewodniki, cewki, kondensatory) muszą być wykonane z wysokiej jakości materiałów i dopasowane do siebie.

Najlepsze falowniki solarne osiągają obecnie sprawność dochodzącą do 99%. Różnica w sprawności falownika fotowoltaicznego o 1 punkt procentowy, w przypadku instalacji o mocy 5 kW odpowiada produkcji ok. 50 kWh rocznie co z kolei przekłada się na 30 zł oszczędności rocznie. Niby niewiele, ale jeśli różnica w sprawności wyniesie 4 punkty procentowe to oszczędności sięgną już 120 zł a w perspektywie 10 lat osiągną 1.200 zł (o ile cena prądu nie ulegnie zmianie).

Śledzenie punktu mocy maksymalnej (MPPT)

Metodą stosowaną przez falownik solarny do pozostawania w nieustannie przemieszczającym się punkcie mocy maksymalnej (MPP) łańcucha paneli fotowoltaicznych jest nazywana śledzeniem punktu mocy maksymalnej (MPPT). Panele fotowoltaiczne mają charakterystyczną krzywą I-V (prąd - napięcie), która zawiera wartość prądu zwarciowego (Isc) dla 0 Vdc, napięcie obwodu otwartego (Voc) dla 0 Amperów, oraz krzywiznę, w miejscu gdzie znajduje się MPP – położenie na krzywej I-V, w którym napięcie pomnożone razy prąd daje największą wartość, moc maksymalną.

Wykres 1 przedstawia MPP dla modułu przy pełnym słońcu dla zmieniających się temperatur ogniw fotowoltaicznych.

falownik do paneli fotowoltaicznych  Fronius, SMA, ABB

W miarę wzrostu temperatury ogniwa, maleje napięcie. Wydajność panelu fotowoltaicznego zależy również od natężenia promieniowania słonecznego. Gdy słońce świeci jaśniej, wytwarzany prąd jest większy, a gdy świeci słabiej, prąd jest mniejszy. 

W związku z istotnymi zmianami natężenia promieniowania słonecznego w ciągu dnia oraz na przestrzeni roku, prąd i napięcie MPP łańcucha paneli podlegają istotnym zmianom, znacząco wpływając na falownik fotowoltaiczny oraz cały system. Intensywność świecenia słońca zmienia się od zera do tzw. pełnego słońca (warunki STC, dla jakich producenci paneli fotowoltaicznych definiują moc znamionową) a nawet do nieco więcej w pewnych lokalizacjach i warunkach (w pewnych okolicznościach panele fotowoltaiczne osiągają większą moc niż nominalna, czyli dla STC). Oznacza to, że produkcja energii elektrycznej z instalacji fotowoltaicznej może podlegać zmianom od zera do parametrów nominalnych paneli, albo nawet więcej. Falowniki solarne muszą współpracować z układem paneli przy ich najniższych napięciach, co zdarza się pod obciążeniem w gorące dni, oraz przy ich najwyższych napięciach, co występuje przy nieobciążonym obwodzie otwartym w chłodne dni.

Odszukanie punktu MPP dla układu modułów i utrzymanie go, gdy ulega zmianie, jest jedną z najważniejszych funkcji falownika fotowoltaicznego.

falownik do paneli fotowoltaicznych ABB, SMA, Sofar Solar, Fronius

Odłączanie od sieci

Cechą szczególną paneli fotowoltaicznych jest fakt, że gdy świeci na nie światło słoneczne, zawsze wytwarzają energię. Nawet w przypadku zwarcia, sytuacja nie ulega zmianie, ponieważ napięcia układu zwartego i otwartego paneli fotowoltaicznych różnią się od siebie nieznacznie z powodu wysokiej rezystancji wewnętrznej. Z tego powodu nie można wyłączyć panela fotowoltaicznego – chyba że, umieści się go w kompletnych ciemnościach. Jeśli kabel łączący moduł fotowoltaiczny z obwodem elektrycznym zostanie odłączony pod obciążeniem, może powstać niebezpieczny łuk elektryczny, który w wyniku przepływu prądu stałego nie zanika. Aby umożliwić prace w falowniku solarnym bez narażania się na niebezpieczeństwo, trzeba zastosować wyłącznik prądu stałego, który może odłączyć falownik od paneli fotowoltaicznych nawet pod obciążeniem.

Ponadto, wszystkie falowniki solarne podłączone do sieci muszą się od niej odłączyć, jeśli poziom napięcia lub częstotliwości sieci przekroczą dopuszczalne parametry. Falownik fotowoltaiczny musi się również odłączyć, gdy nie wykryje sieci, czyli gdy będzie awaria sieci i np. w okolicy brak zasilania. W którejkolwiek sytuacji, falownik solarny nie może się ponownie połączyć z siecią i wysyłać do niej energię, zanim nie zarejestruje właściwego napięcia i częstotliwości. Te ograniczenia zapobiegają sytuacji, gdy falownik fotowoltaiczny będzie wysyłał napięcie czy prąd i spowoduje zagrożenie dla pracownika obsługującego sieć (np. usuwającego awarię).

Potrzebujesz więcej informacji? Zadzwoń do nas: 58 352 35 07