Akademia Słoneczna: Falownik – co to jest i do czego służy?


Najważniejszym elementem instalacji słonecznej są oczywiście moduły fotowoltaiczne. To one przetwarzają bezpośrednio promieniowanie słoneczne na energię elektryczną prądu stałego, DC (ang. Direct Current). Prąd stały ma swoje dobre strony, na przykład łatwo daje się magazynować w akumulatorach, jednak najczęstszą formą energii elektrycznej spotykaną na co dzień jest jednak prąd przemienny, AC (ang. Alternating Current).

Jeżeli planujemy wyprodukowaną energię wprowadzić do sieci energetycznej, niezbędne jest urządzenie, które w odpowiedni sposób przetworzy wejściowy prąd stały na wyjściowy prąd przemienny. Takim urządzeniem jest właśnie falownik (ang. inverter).

Opis działania falownika

Idea zamiany prądu stałego na prąd przemienny jest zagadnieniem dość złożonym. Energia wprowadzana do sieci musi spełniać wysokie wymagania co do jakości, m.in. kształtu przebiegu napięcia i prądu, które powinny być idealnym przebiegiem sinusoidalnym. Najbardziej rozpowszechnioną obecnie metodą jest „kluczowanie” – czyli szybkie wyłączanie i włączanie napięcia stałego według takiego algorytmu, aby uzyskać żądany przebieg. Służy do tego odpowiednio sterowany mostek kluczy tranzystorowych, który pokazano na schemacie wewnętrznej budowy falownika na rys. 1. Czytelnikom, których interesuje ten temat, polecamy zapoznanie się z pojęciem modulacji szerokością impulsu, znaną od angielskich słów Pulse Width Modulation pod skrótem PWM.
 

Rys. 1. Przykładowy schemat wewnętrznej budowy falownika. Źródło: SMA

 

Pozostałe główne elementy falownika to układy wejściowe, do których podłącza się łańcuchy modułów i które zapewniają ich bezpieczeństwo, a także możliwość ich odłączenia. Ważnym elementem jest również układ śledzenia maksymalnego punktu pracy (ang. Maximum Power Point Tracking, MPPT), który może zwiększyć ilość przetworzonej energii nawet o 20 proc. – poświęcimy mu osobny artykuł. Następnie jest wspomniany już mostek kluczy odpowiadający za generowanie przebiegu zmiennego. Transformator zapewnia galwaniczną izolację pomiędzy stałym napięciem wejściowym (dochodzącym nawet do 1000 V) a siecią energetyczną. Wraz z rozwojem falowników coraz częściej można spotkać rozwiązania, w których transformator nie jest stosowany. Może to podrożyć konstrukcję ze względu na dużo bardziej zaawansowane układy zabezpieczeń, ale daje również wyższą sprawność falownika.

Ostatnim układem są zabezpieczenia falownika zapewniające jego wydajną i bezpieczną współpracę z siecią. Jednym z podstawowych zadań falownika jest ciągłe monitorowanie parametrów sieci takich jak: napięcie, częstotliwość i odpowiednie reagowanie na ich zmiany, w tym odłączenie falownika od sieci w przypadku, gdy wartości tych parametrów znajdą się poza dozwolonym zakresem. Niemożliwa zatem jest tak zwana wyspowa praca falownika (ang. off-grid), ponieważ bez dodatkowych urządzeń separujących go od sieci mógłby stanowić spore zagrożenie w przypadku awarii.

Klasyfikacja falowników

Falowniki możemy podzielić według kilku podstawowych kryteriów:

Wewnętrzny transformator – podział na falowniki z transformatorem i bez wbudowanego transformatora. Więcej o zaletach każdego z tych rozwiązań w kolejnych artykułach Akademii Solarnej.

Ilość faz, do których przyłącza się falownik. Małe moce, do kilku kW występują w wersji jednofazowej, przyłączenie do sieci następuje wówczas trzema przewodami: L, N i PE. Dla większych mocy stosuje się falowniki trójfazowe a do sieci przyłącza się je 5 przewodami (L1, L2, L3, N i PE).

Moc nominalna falownika powinno się określać jako moc, którą może oddać do sieci energetycznej po stronie zmiennoprądowej, można ją też nazwać mocą wyjściową. Najmniejsze – mikrofalowniki charakteryzują się mocą wyjściową równą mocy pojedynczego modułu, np. 200-260W. Małe falowniki mogące posłużyć do budowy mikroinstalacji na dachu domu to wielkości mocy od 1,2 do 20 kW. Łącząc kilka, a nawet kilkadziesiąt takich falowników w jednej instalacji można uzyskać całkiem spore moce. Falowniki w przedziale od 50 do 100 kW stosowane są do celów przemysłowych: na halach magazynowych, budynkach produkcyjnych lub biurowych. Największe falowniki – nazywane falownikami centralnymi – mają moc od 100 nawet do 900 kW. Natomiast bez względu na wielkość mocy falowniki zawsze wytwarzają tzw. niskie napięcie, o wartości zależnej od kraju przeznaczenia i wersji wykonania (np. falowniki centralne mają własny zakres napięć).
 

Falownik bez transformatora o mocy 17kW. Źródło: SMA

 

Falownik z transformatorem o mocy 12kW. Źródło: Fronius

 

Falownik przemysłowy o mocy 100kW. Źródło: Fronius

 

Stacja megawatowa zawierająca 2 falowniki centralne, transformato nN/SN i rozdzielnicę SN. Źródło: ABB

 

Liczba urządzeń MPPT powinna wynosić przynajmniej jeden. Więcej urządzeń MPPT w falowniku to łatwiejszy proces projektowania w przypadku złożonych instalacji nadachowych, ale również i wyższa cena.

Zakres dopuszczalnego napięcia DC jest o tyle ważny, że przekraczając ten parametr, możemy uszkodzić falownik. Warto zatem zwrócić szczególną uwagę na ten parametr w procesie dobierania konfiguracji łańcuchów do falowników.

Niektóre wersje falowników dostępne są w wykonaniach przewidzianych do instalacji „na zewnątrz” budynków (ang. outdoor). Charakteryzują się one wyższym stopniem ochrony, min. IP44 i podwyższoną tolerancją na szeroki zakres temperatur pracy. Zaletą stosowania takich falowników jest możliwość umieszczenia ich bezpośrednio na podkostrukcji, co ułatwia montaż, eliminuje koszt budowy specjalnego pomieszczenia i ułatwia serwis.

 

Falownik SMA przymocowany bezpośrednio do podkonstrukcji Schletter. Źródło: FreeLight Polska

Kolejnym ważnym parametrem jest sprawność falownika (η), czyli stosunek skutecznej elektrycznej mocy wyjściowej prądu przemiennego falownika do elektrycznej mocy wejściowej prądu stałego, oraz jego znormalizowana postać – sprawność euro- η lub europejska, o której więcej napiszemy w jednym z kolejnych artykułów.

Najważniejsze wymagania dla falowników

• szybkie wyszukiwanie i utrzymanie punktu mocy maksymalnej
• wysoka sprawność nawet przy częściowym obciążeniu
• wysoka niezawodność
• wysoki stopień ochrony, np. IP54, IP65 dzięki solidnej obudowie
• duży zakres temperatur pracy (od –25°C do +60°C)
• łatwa kontrola działania urządzenia poprzez zdalny monitoring
• dostępność cenowa (korzystna relacje jakość – cena i moc – cena)
• łatwość i szybkość instalacja
• szczegółowe monitorowanie urządzenia, prosta diagnostyka usterek
• zgodność z obowiązującymi normami
• dokumentacja dostępna w języku polskim
• lokalny serwis w kraju.

Podsumowanie

 

Oczywiście to tylko mały fragment wszystkich parametrów, którymi charakteryzują się falowniki. Temat falowników będziemy poruszać w Akademii jeszcze niejednokrotnie.

 

Falownik SMA przymocowany bezpośrednio do podkonstrukcji Schletter, fot.: FreeLight Polska

ZOSTAW ODPOWIEDŹ

Please enter your comment!
Please enter your name here