Falowniki fotowoltaiczne to urządzenia konwertujące prąd stały z modułów fotowoltaicznych na prąd przemienny (konwerter DC/AC) i synchronizujący się z siecią elektroenergetyczną. Czy na pewno rola falownika w dzisiejszym świecie ogranicza się do tej jego podstawowej funkcjonalności?

Rozwój instalacji fotowoltaicznych na całym świecie, od USA, przez Europę, po daleką Azję, spowodował, że rola i znaczenie falownika fotowoltaicznego stale rośnie. Wynika to z rosnących potrzeb poszczególnych rynków. Na początku swojego rozwoju najistotniejszym elementem była sprawność konwersji prądu stałego na prąd przemienny oraz niezawodność samych urządzeń pracujących najczęściej w bardzo trudnych warunkach od -25°C aż do nawet 45-55°C. Natomiast z biegiem czasu branża zaczęła oczekiwać od falowników kolejnych funkcji i ulepszeń wynikających z nowych trendów, regulacji czy choćby oczekiwań klientów. Choć falownik to około 10-15% wartości całego projektu, to stał się jego najważniejszą częścią. Niedziałający falownik to najczęściej niedziałająca cała instalacja, a brak pewnych funkcji w falowniku to brak tych funkcji w całym systemie. To falownik odpowiada także za współpracę z siecią elektroenergetyczną. Stąd tak istotne jest odpowiednie dobranie i zamontowanie falownika fotowoltaicznego. Element doboru falownika jest jednym z najbardziej kluczowych momentów, ponieważ determinuje on późniejszą wydajną lub nie pracę całego systemu.

Falowniki fotowoltaiczne – dwa kluczowe elementy

System fotowoltaiczny skład się z szeregu komponentów, jednak z punktu widzenia projektu i doboru urządzeń dwa elementy są kluczowe – są to moduły fotowoltaiczne oraz sam falownik. Przy wzroście znaczenia i funkcjonalności falownika fotowoltaicznego coraz bardziej istotne stawały się aspekty związane z łatwością projektowania systemu i kwestia, jak falownik może w tym pomóc. Pierwsze falowniki fotowoltaiczne nie dawały zbyt dużej elastyczności i liczba możliwych konfiguracji danego systemu była bardzo ograniczona. Powodowało to, że projektowanie instalacji fotowoltaicznych było bardzo trudne i czasochłonne.

Należy pamiętać, że moduły w systemach fotowoltaicznych łączy się ze sobą szeregowo w celu podniesienia napięcia oraz równolegle w celu zwiększenia prądu. W ten sposób dochodzimy do jednego z pierwszych problemów, z jakimi musiała zmierzyć się branża fotowoltaiczna, a mianowicie, jak skutecznie wyszukiwać idealny punkt pracy – punkt pracy maksymalnej (ang. Maximum Power Point – MPP) dla tak dużej liczby modułów połączonych szeregowo i równolegle. Pierwsze falowniki wymuszały projekty dość trudne do realizacji w prawdziwym życiu. Wszystkie łańcuchy szeregowo połączonych modułów musiały mieć taką samą długość, orientację i nachylanie w sytuacji, gdy łączono je równolegle, ze względu na fakt, że falownik wyszukiwał punkt pracy maksymalnej (MPP) wspólny dla wszystkich łańcuchów. Przy nierównej liczbie modułów w łańcuchach powodowałby straty w produkcji energii w wyniku niedopasowania (ang. mismatching).

Falowniki_w_instalacji_fotowoltaicznej_Marona237-1

Rys. 1. Typy falowników fotowoltaicznych: a) falownik centralny; b) falownik łańcuchowy; c) mikrofalownik; d) system z optymalizatorem mocy (źródło: opracowanie własne za: “Single phase transformerless inverter topologies for grid-tied photovoltaic system: A review”, Monirul Islama; Saad Mekhilefa; Mahamudul Hasanb).

Pewnym przełomem w rozwoju branży było opracowanie falowników z dwoma lub więcej systemami śledzenia punktu pracy maksymalnej (MPPT – Maximum Power Point Tracking). Spowodowało to, że projekty instalacji stały się łatwiejsze i bardziej wszechstronne. Ta tendencja do zwiększania liczby systemów wyszukujących punkt pracy maksymalnej zbiegała się w czasie z inną tendencją związaną z topologią falowników. W pierwszym okresie rozwoju fotowoltaiki dominującymi urządzeniami były falowniki dużej mocy, szczególnie na farmach fotowoltaicznych stosowano głównie urządzenia centralne (ang. central inverters). Nacisk projektantów na większą elastyczność spowodował gwałtowny rozwój falowników łańcuchowych (ang. string inverter), co miało kolosalny wpływ na rozwój mniejszych projektów, a także na popularyzację systemów domowych.

Mały falownik

Mały falownik wyposażony w dwa systemy śledzenia punktu pracy maksymalnej dawał dużo większe możliwości projektowe w przypadku dachów domów jednorodzinnych, których to powierzchnie są najczęściej bardzo ograniczone i skomplikowane, co uniemożliwiało zastosowanie falowników z tylko jednym systemem śledzenia punktu pracy maksymalnej. Ten trend zmniejszania mocy falowników przyczynił się z jednej strony do demokratyzacji energetyki, powstała nowa grupa wytwórców energii elektrycznej – tak zwani prosumenci, którzy produkują prąd na własne potrzeby, a nadwyżki oddają do sieci. Z drugiej strony zmniejszanie mocy doprowadziło do powstania także kompletnie nowej grupy falowników fotowoltaicznych – grupy urządzeń nazywanych elektroniką na poziomie modułu (ang. Module Level Power Electronic – MLPE). W skład tej grupy wchodzą obecnie dwie technologie, mikrofalowniki oraz optymalizatory mocy.

Elektronika pod modułem

Ze względu na umieszczenie elektroniki pod każdym modułem (zarówno mikrofalownik, jak i optymalizator jest montowany przy każdy module) uzyskano szereg nowych możliwości, począwszy od łatwiejszego projektowania, poprzez lepszy monitoring, a na funkcjach bezpieczeństwa kończąc. Fakt, że pod każdym modułem znajduje się elektronika, przyczynił się do tego, że każdy moduł ma swój własny system śledzenia punktu pracy maksymalnej (MPPT), co daje praktycznie nieograniczone możliwości zastosowania w małych projektach, na dachach skomplikowanych, czy nawet zacienionych, co było praktycznie wykluczone w przypadku systemów z falownikami centralnymi czy łańcuchowymi. Jednocześnie wydajność takich systemów jest znacznie większa ze względu na brak problemu niedopasowania (ang. mismatching) w wyniku zacieniania, zabrudzenia, nietolerancji, nierównomiernej degradacji i innych czynników.

Oczekiwanie na informacje

Rozwój energetyki słonecznej spowodował, ze branża stawała się coraz większa, a firmy montujące i zarządzające systemami fotowoltaicznymi zaczynały mieć coraz więcej instalacji do nadzorowania. Spowodowało to wzrost oczekiwań wobec falownika w zakresie monitoringu instalacji. Pierwsze system fotowoltaiczne miały bardzo ograniczoną funkcję monitoringu, mierzyły najczęściej tylko energię wyprodukowana przez system. Nie dawało to firmom zarządzającym zbyt dużej informacji o tym, co potencjalnie mogło dziać się na instalacji, stąd wszelkiego rodzaju usterki najczęściej były wykrywane na bardzo kosztownych wizytach konserwująco-utrzymujących (ang. operation and maintenance). Branża zaczęła oczekiwać od producentów falowników coraz to większej ilości informacji dostarczanych przez falownik na temat wydajności systemu, takich jak napięcie łańcucha i prąd.

Ten trend był także bardzo silnie związany ze wspomnianym wcześniej przechodzeniem z systemów z falownikami centralnymi na falowniki łańcuchowe. Falowniki małej mocy dostarczające informację o wydajności części systemu dały możliwość analiz porównawczych między poszczególnymi częściami systemu (każda podłączona do innego falownika). W tym czasie nastąpił także istotny rozwój narzędzi monitoringu, a także monitoringu zdalnego. Producenci falowników oraz firmy zewnętrzne zaczęły oferować usługi agregacji i graficznego przedstawiania danych z systemu fotowoltaicznego, co miało ułatwiać firmom zarządzającym dużą ilością instalacji lepsze i tańsze serwisowanie. Wykrywanie błędów przeniosło się z etapu wizyty kontrolnej na zdalne diagnozowanie systemu. Jeżeli operator zauważył jakieś anomalie w systemie, nie czekał z serwisem do ustalonej daty, tylko wysyłał techników zaraz po wykryciu błędu.

Rewolucja na poziomie modułu

Oczywiście ten system nie rozwiązywał wszystkich problemów, ponieważ technicy nadal musieli szukać błędu na instalacji, ale czas reakcji stał się dużo krótszy i skuteczność wykrywania błędów większa. Prawdziwą rewolucję w monitorowaniu instalacji fotowoltaicznych przyniosła jednak elektronika na poziomie modułu. Mikrofalowniki oraz optymalizatory mocy zapewniają informację o wydajności każdego modułu z osobna, dając firmom zarządzającym systemami nieograniczone możliwości kontroli zarządzanych systemów i znaczące ograniczenie kosztów utrzymania i serwisu. Teraz zarządca instalacji wie, który moduł nie działa i operator wysyła techników w konkretnym celu – wymiany niedziałającego elementu. Ogranicza to czas na serwis, znacząco redukując koszty tych prac.

Sam aspekt prac utrzymująco-zapobiegawczych oraz serwisowych zmieniał się wraz z rozwojem rynku. Pierwsze systemy fotowoltaiczne nie były wyposażone w standardzie w zabezpieczenia lub urządzenia monitorujące potencjalne zagrożenia. Wraz z rozwojem rynku falowniki stawały się mózgiem całego systemu, a więc także elementem odpowiedzialnym za bezpieczeństwo. Tutaj rolę wymuszającą na producentach rozwój przejął od firm montujących i utrzymujących regulator rynku oraz jednostki certyfikujące. Państwa, w których fotowoltaika zaczęła rozwijać się szybciej, wprowadziły swoje wewnętrzne regulacje, wymuszając poniekąd na producentach integrowanie nowych funkcjonalności, takich jak na przykład monitorowanie rezystancji izolacji, kontrola pracy w wyspie, monitorowanie stanu sieci, a w ostatnim czasie na przykład wykrywanie możliwości powstania łuku czy obniżanie napięcia do poziomu bezpiecznego w przypadku awarii bądź ręcznego wyłączenia systemu w celu konserwacji.

Falowniki_w_instalacji_fotowoltaicznej_Marona237-2

Rys. 2. Podział elektroniki na poziome modułu, źródło: opracowanie własne.

Wracając do początku rozważań, należy pamiętać, że łańcuchy fotowoltaiczne składają się z wielu połączonych ze sobą szeregowo modułów (do nawet 22 w jednym łańcuchu), co powoduje, że napięcie w systemie jest bardzo wysokie. Trzeba zdawać sobie sprawę, że systemy fotowoltaiczne, choć bardzo bezpieczne właśnie ze względu na szereg przepisów i regulacji, to w przypadku złego projektu czy błędnego montażu, a także w sytuacjach awaryjnych, mogą stanowić potencjalne zagrożenia, właśnie ze względu na bardzo wysokie napięcie w systemie nawet po wyłączeniu falownika. Z tego względu konieczność redukcji napięcia staje się w ostatnich latach bardzo istotna ze względu na jego wpływ na bezpieczeństwo nie tylko instalatorów czy ekip serwisujących, ale także dla ekip ratowniczych, w tym w szczególności dla strażaków. Coraz więcej krajów na świecie wprowadza nowe restrykcyjne przepisy wymuszające stosowanie rozwiązań dających taką funkcjonalność. Warto tutaj zwrócić uwagę, że współczesne trendy rozwoju falowników uwzględniają te wymagania. Elektronika na poziome modułu (MLPE) zapewnia tę funkcjonalność w standardzie, zapewniając większe bezpieczeństwo.

Falowniki fotowoltaiczne – bezpieczeństwo

Przy kwestiach bezpieczeństwa nie można pominąć także roli falownika w integracji z siecią elektroenergetyczną. Od samego początku rozwoju branży falowniki musiały monitorować parametry sieci, choćby ze względów bezpieczeństwa. Każdy kraj posiada swoje własne instrukcje i wytyczne, kiedy i w jakich warunkach falownik fotowoltaiczny powinien odłączyć się od sieci. Polska nie jest tutaj wyjątkiem i falownik, chcąc pracować w polskiej sieci elektroenergetycznej, musi spełniać warunki zawarte w Instrukcji Ruchu i Eksploatacji Sieci Dystrybucyjnej (IRiESD). Warunki te są ostatnio bardzo głośno dyskutowane, ponieważ polscy operatorzy, chcąc ujednolicić swoje regulacje, także w odniesieniu do przepisów unijnych, zaproponowali dość kontrowersyjne i restrykcyjne zmiany. Są one obecnie obiektem dyskusji i analiz, a także konsultacji, również z branżą fotowoltaiczną.

W tym miejscu rola producentów falowników jest i powinna być największa. Przecież falownik to jedyny element całej instalacji fotowoltaicznej, który ma styczność z siecią elektroenergetyczną. W pierwszej fazie rozwoju branży fotowoltaicznej falownik musiał tylko pilnować podstawowych parametrów, takich jak napięcie (parametry pod- i nadnapięciowe), częstotliwość (parametry pod- i nadczęstotliwościowe). Jednakże wraz z rozwojem rynku i coraz to większą penetracją systemów konieczne stało się daleko idące zintegrowanie systemów fotowoltaicznych z sieciami dystrybucyjnymi. Falowniki, oprócz pomiaru podstawowych parametrów wymienionych wcześniej, muszą mieć możliwość reagowania w sposób założony przez operatora i regulatora rynku (regulator rynku pełni tutaj rolę nadzorczą, aby uniknąć nadużyć zarówno ze strony OSD, jak i wytwórców energii).

Wiele krajów stworzyło wspólnie z branżą regulacje dostosowane do specyfiki rynku. Najlepszym przykładem jest taka integracja tworzona wspólnie przez niemieckie OSD i branże fotowoltaiczną. W niemieckim systemie elektroenergetycznym działa obecnie ponad 2,5 miliona wytwórców energii (dla porównania w Polsce nie ma ich nawet 25 tys.), z czego bardzo duża część to instalacje fotowoltaiczne. Stąd tak ważne jest, aby falownik mógł wspomagać sieć w zapewnieniu stabilności dostaw energii. W Niemczech, oprócz monitorowania sieci, reakcji na pewne anomalie, falownik dodatkowo bierze udział w wytwarzaniu mocy biernej (element stabilizacyjny sieci), musi umieć poradzić sobie w odpowiedni (założony przez regulatora) sposób z krótkotrwałymi awariami sieci (Fault Right Throught), ale także z awariami długotrwałymi, z nagłym wzrostem częstotliwości sieci (przy znaczącej nadprodukcji) – problem 50,2 Hz w Niemczech i innymi problemami specyficznymi dla danego rynku.

Mózg systemu

W tej perspektywie coraz częściej falownik fotowoltaiczny jest wymieniany także jako mózg systemu bateryjnego. Magazyn energii zintegrowany z systemem fotowoltaicznym może być wspaniałym stabilizatorem sieci. W sytuacjach nadprodukcji w krajowym systemie elektroenergetycznym setki tysięcy małych magazynów energii mogą pomóc ustabilizować sytuację, a w przypadku niedoborów energii (w godzinach szczytu lub w niszach produkcyjnych) wcześniej zmagazynowana energia pomaga sprostać wymaganiom odbiorców.

Patrząc w przyszłość

Rozwój falowników fotowoltaicznych nie może nie pominąć tego trendu i jest to przyszłość falowników. Pierwsze urządzenia do konwersji prądu stałego na prąd przemienny dla fotowoltaiki były tak zaprojektowane, że nie było możliwe podpięcia do nich magazynów energii. Dzisiaj nowoczesny falownik przy niewielkim przeorganizowaniu systemu jest w stanie współpracować z baterią i przy okazji wspomagać sieć w trudnych warunkach – falownik decyduje, kiedy i jak wykorzystać baterię – zmagazynować nadwyżki energii w akumulatorze czy wysłać ją do sieci. To falownik decyduje, kiedy bateria jest ładowana, kiedy jest w stanie spoczynku, a kiedy należy ją rozładować tak, aby uzyskać najlepszy efekt ekonomiczny i techniczny. Innym kierunkiem rozwoju jest zdolność falownika do wspierania zarządzania obciążeniem. Falownik podpięty do urządzeń pomiarowych (inteligentny licznik energii) przyczynia się do zmiany wzorców konsumpcji i dopasowuje konsumpcję do produkcji energii, przesuwając uruchomienie urządzeń, takich jak podgrzewacze wody, klimatyzatory, pompy ogrodowe czy nowoczesne pompy ciepła na czas pracy instalacji fotowoltaicznej.

Falowniki_w_instalacji_fotowoltaicznej_Marona237-3

Jako że falowniki mogą zarządzać produkcją i konsumpcją energii, logiczne jest zintegrowanie systemu fotowoltaicznego z inteligentnym domem i oddanie falownikowi funkcji kontrolnej. Najnowszym elementem rozwoju falowników fotowoltaicznych jest ich integracja z elektromobilnością. Potencjał łączenia fotowoltaiki z pojazdami elektrycznymi ma nieograniczone możliwości. Obie technologie będące dzisiaj megatrendami na świecie dają szereg fascynujących zastosowań, które mogą być zaimplementowane w przyszłości – wykorzystanie zielonej energii do zasilania samochodów elektrycznych to efekt synergii, poprawiający skuteczność walki ze zmianami klimatu. Dla właścicieli systemów fotowoltaicznych, samochód elektryczny stanowi element lepszego wykorzystania wytworzonej energii i jeszcze lepszego efektu ekonomicznego. Ponadto usługi V2G (ang. Vehicle to Grid – pojazd do sieci) pozwolą jeszcze lepiej zintegrować falownik z siecią elektroenergetyczną w ramach usługi reagowania na zapotrzebowanie. Jest to szczególnie przydatne, ponieważ inteligentne falowniki i rozproszone systemy energetyczne zaczynają zastępować scentralizowaną sieć.

Falownik fotowoltaiczny będzie w niedalekiej przyszłości elementem w prawie każdym domu, zarządzając nie tylko produkcją z instalacji fotowoltaicznej, ale także ładowaniem i rozładowywaniem akumulatorów, także tych w samochodzie elektrycznym. Falownik będzie decydował, kiedy uruchomić ogrzewanie czy pralkę, tak aby najefektywniej wykorzystać energię z instalacji, będzie pomagał stabilizować sieć, stając się częścią nie tylko Smart Home, ale także Smart Grid. Z uwagi na rosnącą rolę elektroniki użytkowej rola falownika także będzie rosnąć.

Michał Marona

Prenumerata Magazynu Instalatora

Dodaj komentarz

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *

Ta strona korzysta z ciasteczek (cookies) Więcej informacji

Ustawienia plików cookie na tej stronie są włączone na "zezwalaj na pliki cookie", aby umożliwić najlepszy z możliwych sposób przeglądania. Jeśli w dalszym ciągu chcesz korzystać z tej strony, bez zmiany ustawienia plików cookie lub kliknięciu przycisku "Akceptuję", a następnie użytkownik wyraża zgodę na to.

Zamknij