Falownik: co to jest inwerter fotowoltaiczny? Jak działa i jakie są jego rodzaje?

Wraz z rosnąca popularnością instalacji fotowoltaicznych coraz częściej słyszymy pojęcie inwerter lub falownik. Terminy te używane są zazwyczaj zamiennie. Co się pod nimi kryje? Jaki działa inwerter fotowoltaiczny i jakie są jego rodzaje? Odpowiedzi na te i inne pytania znajdują się w niniejszym artykule.

Czym jest i do czego służy falownik - inwerter fotowoltaiczny?

Inwerter fotowoltaiczny, który nazywany jest również falownikiem to specjalistyczne urządzenie, które odpowiada za transformację pozyskiwanego przez panele prądu stałego na prąd zmienny, który może być wykorzystywany w gospodarstwie domowym. Falownik działa automatycznie w czasie rzeczywistym, dzięki czemu prąd dostępny jest bez żadnych zakłóceń i nie różni się niczym od tego, który dostarcza zakład energetyczny.

Z jakich elementów zbudowany jest inwerter fotowoltaiczny i jak wygląda zasada działania falownika?

Każdy inwerter zbudowany jest z kilku elementów, które współpracując ze sobą są w stanie przetwarzać prąd stały w prąd zmienny. W związku z tym falownik tworzy:

• klasyczny prostownik,
• stopień pośrednie (złożony z kondensatorów),
• stopień końcowy (złożony z tranzystorów),
• układ sterowania i zabezpieczeń.

Jak wygląda zasada działania falownika? Prostownik zasilany jest jedną z trzech faz napięcia przemiennego AC i odpowiada za prostowanie napięcia przemiennego na stałe. Stopień pośredni natomiast stabilizuje i wygładza napięcie stałe, które trafia następnie do stopnia końcowego pełniącego funkcję przemiennika. W tym miejscu właśnie następuje przekształcenie prądu stałego na prąd przemienny o określonych parametrach. Wszystko nadzoruje specjalny układ zabezpieczeń, który zapewnia ochronę przed awarią poprzez odłączenie zasilania w momencie odczytania pomiarów o niewłaściwej mocy. 

Zasada działania inwertera sieciowego i sposób podłączenia paneli do falownika

Inwerter nieustannie monitoruje pracę instalacji fotowoltaicznej. W czasie ruchów parametrów, jeżeli zachodzi taka potrzeba inicjuje odpowiedź do zmiany. Panele są podłączone do falownika poprzez układy wejściowe, a monitorowanie pracy ogniw umożliwia określenie maksymalnego punktu pracy modułów, co ma bezpośredni wpływ na sprawność całego systemu. W tym miejscu ustalane są m.in. parametry takie jak maksymalna moc wejściowa (DC), zakres napięcia (MPPT), czy ilość wejść. 

W stopniu pośrednim zachodzą zmiany umożliwiające transformację prądu stałego na zmienny. Przemiennik pełni również funkcję komunikacyjną, ponieważ dzięki niemu możliwe jest odczytanie danych dotyczących działania sieci. Można to zrobić na wyświetlaczu LCD lub dedykowanej aplikacji mobilnej. Nad bezpieczeństwem czuwa natomiast system zabezpieczeń, dzięki któremu połączenie jest wydajne i może funkcjonować bez większych zakłóceń. W tym miejscu można sprawdzić parametry dotyczące dodatkowych zabezpieczeń AC/DC, sposobu chłodzenia układów, czy napięcia wyjściowego międzyfazowego.

Sterowanie falownikiem i monitorowanie jego pracy

Obsługa oraz monitorowanie pracy większości falowników odbywa się z poziomu aplikacji mobilnej. Niektóre z nich posiadają również wbudowane wyświetlacze LCD, na których możliwe jest odczytanie wartości mocy, napięcia i prądu strony DC i AC, a także dziennej, miesięcznej i rocznej produkcji energii. Aktualnie na rynku funkcjonują zaawansowane systemy sterowania i monitoringu parametrów wejściowych i wyjściowych falownika poprzez układy data manager. Pozyskane z nich informacje są rejestrowane, przechowywane i prezentowane przez specjalistyczne oprogramowanie, które dostępne jest w formie dedykowanej strony internetowej. 

Nowoczesne falowniki posiadają połączenie przewodowe LAN lub bezprzewodowe WLAN, które dzięki łączności urządzenia z siecią internetową pozwalają na bieżąco kontrolować, monitorować oraz analizować pracę instalacji. Dzięki temu możliwe jest precyzyjne wyliczenie oszczędności uzyskanych dzięki panelom fotowoltaicznym oraz określenie kwoty, którą należałoby zapłacić za zużycie wskazanych ilości energii elektrycznej dostarczonych przez zewnętrznego dostawcę. Nowoczesne falowniki posiadają również funkcję pozwalające zdalnie uruchamiać domowe odbiorniki energii, podnosząc w ten sposób poziom auto konsumpcji.

Czym jest układ MPPT? - i jak działa śledzenie maksymalnego punktu mocy paneli

Układ MPPT z ang. Maximum Power Point Tracker pozwala na zwiększenie ilości uzyskiwanej energii o nawet 20-30%. Jego zadaniem jest badanie charakterystyki paneli i dostosowywanie prądu obciążenia w celu osiągnięcia maksymalnej mocy niezależnie od warunków ich pracy. Układy MPPT stają się obecnie standardem, ponieważ dostępne w sprzedaży moduły PV nie posiadają określonego punktu mocy maksymalnej (MPP), w związku czym ich moc jest zmienna i w dużej mierze zależy od aktualnej pogody. Układ MPPT falownika śledzi na bieżąco punkt mocy maksymalnej i automatycznie dopasowuje się do jego wartości. Aby jednak działał prawidłowo każdy moduł instalacji powinien być identyczny, a co za tym idzie posiadać takie same parametry. Optymalne działanie wymaga również podobnej lokalizacji modułów oraz takiego samego nachylenia. Obecnie każdy nowoczesny inwerter posiada przynajmniej jeden układ MPPT.

Rodzaje i podział falowników - różnice w solarnych inwerterach fotowoltaicznych

Rozwój technologii fotowoltaicznej sprawił, że tego typu instalacja może być wyposażona w jeden z trzech rodzajów falowników zgodnie z opracowanym projektem. W sprzedaży dostępne są:

• inwertery typu on-grid (sieciowe), które są przystosowane do współpracy z siecią elektryczną, a co za tym idzie odsyłania i pobierania energii;
• inwertery typu off-grid, które nie współpracują z siecią energetyczną. W tym przypadku konieczne jest podłączenie magazynu, w którym gromadzona będzie nadwyżka wytwarzanej energii;
• inwertery hybrydowe, które stanowią połączenie obu wariantów. Tego typu falowniki mogą współpracować z siecią energetyczną, a także z domowymi akumulatorami.

Falowniki to urządzenia, które można w różny sposób klasyfikować. Najczęściej spotykany jest podział ze względu na możliwość podłączenia do nich odpowiedniej liczby paneli, zgodnie z którym wyróżnia się:

• mikrofalowniki, które współpracują z jednym panelem fotowoltaicznym;
• falowniki stringowe, które dedykowane są do małej instalacji fotowoltaicznej (do 30kW) i obsługują wszystkie należące do niej panele fotowoltaiczne;
• falowniki centralne, które są przeznaczone do pracy na farmach fotowoltaicznych o mocach setek kilowatów.

Innym stosowanym podziałem jest klasyfikacja ze względu na technologię, zgodnie z którą wyróżnia się falowniki transformatorowe i beztransformatorowe.

Jak powinna być dobrana moc inwertera?

Powszechnie wiadomo, że moc, którą generują panele fotowoltaiczne jest uzależniona od pory dnia, nasłonecznienia, czy temperatury. Sprawność instalacji jest jednak największa, jeżeli panele jak najdłużej dostarczają energię zbliżoną do maksymalnej mocy falownika. Jej przekroczenie powoduje natomiast straty energii, której inwerter nie jest wstanie na bieżąco przetworzyć. Jak zatem dobrać jego moc? Producenci paneli fotowoltaicznych sugerują, by ich moc mieściła się w przedziale 80-125% mocy falownika. Sprawność instalacji jest jednak najwyższa w przypadku, kiedy moc paneli zostanie przewymiarowana w stosunku do mocy inwertera w granicach 105-120%. Jak to rozumieć? Przykładowo w domowej instalacji fotowoltaicznej o mocy 6 kW śmiało można zastosować inwerter o mocy 5 kW.

Wybór typu falownika do instalacji fotowoltaicznej - renomowane firmy

Na polskim rynku dostępne są inwertery fotowoltaiczne wielu firm, na czele z Huawei, ABB, Fornius, SolarEdge czy Delta. Wybierając konkretny model falownika, warto zwrócić uwagę na:

• szybkość wyszukiwania i utrzymania punktu mocy maksymalnej MPP,
• sprawność urządzenia (zwłaszcza przy częściowym obciążeniu),
• stopień ochrony (minimum IP65)
• zakres temperatur pracy (najlepiej od -25°C do +60°C).

Przy wyborze inwertera warto wziąć pod uwagę również renomę producenta oraz długość udzielanej przez niego gwarancji. Przykładowo Delta udziela standardowej gwarancji na 5 lat, ale można ją płatnie wydłużyć nawet do 20. W przypadku SolarEdge gwarancja na falownik wynosi 12 lat, a na optymalizatory 25 lat. 

Zakup inwertera to około 20% kosztu całej instalacji fotowoltaicznej, dlatego też powinien być on tak dobrany, by zapewnić jej optymalną sprawność. Świadomość tego jak działa falownik oraz kontrola jego pracy pozwala w prosty sposób wyliczyć oszczędności jakie przynosi produkowanie własnego prądu.