Zastosowanie mikrofalowników w instalacjach fotowoltaicznych

Jak widzimy na rysunku 1. typowa instalacja fotowoltaiczna on-grid (podłączona do sieci energetycznej) składa się z odpowiedniej do projektowanej mocy, maksymalnej liczby modułów PV, falownika (inwertera) przekształcającego energię prądu stałego wytwarzaną w panelach na energię 1- lub 3-fazową prądu przemiennego, o parametrach zgodnych z wymaganiami sieci, aparatury zabezpieczająco-łączeniowej i pomiaru energii. Mamy zatem do czynienia z dwiema odrębnymi częściami systemu:

• rozległą – panele PV, okablowanie, diody zabezpieczające, ochronniki przepięciowe
• scentralizowaną – rozdzielnica z falownikiem, licznikiem i aparaturą łączeniową

Rysunek 1. Uproszczony schemat klasycznej instalacji PV (z falownikiem centralnym).

Część scentralizowana jest zamontowana w chroniącej ją rozdzielnicy o wysokim stopniu ochrony, często znajdującej się w suchym pomieszczeniu o ustabilizowanej wartości temperatury i wyposażona jest dodatkowo w liczne zabezpieczenia (przepięciowe, nadprądowe, termiczne itd.).
Część rozległa jest wystawiona na działanie warunków środowiskowych oraz zmienne warunki otoczenia mogące wpływać na równomierność pracy poszczególnych modułów. Oznacza to, że produkcja energii elektrycznej w pierwotnie identycznych elementach fotowoltaicznych nie będzie przez cały czas taka sama. Przyczyny tego stanu rzeczy możemy generalnie podzielić na dwie grupy:

• długotrwałe – uszkodzenia lokalne (np. w wyniku: wiatru – 20% uszkodzeń, opadu śniegu 11% uszkodzeń, czy gradu – 3% uszkodzeń), różne ustawienie względem promieni słonecznych wynikające z rozmieszczenia paneli, rozłączenia instalacji, korozję, ogólne starzenie modułów PV
• chwilowe – wynikające z przemieszczania się słońca w ciągu dnia (przesłanianie światła przez przeszkody, takie jak: elementy budynku (rysunek 4.), kominy, drzewa, opad liści, zaleganie śniegu

Wymienione wyżej nierównomierności prowadzą nieuchronnie do spadku produkcji energii w czasie, przy czym spadki te mogą podobnie jak ich przyczyny być długotrwałe, chwilowe, usuwalne lub nieusuwalne (bez podjęcia czynności remontowych, czy naprawczych). Mogą też prowadzić nie tylko do spadku efektywności instalacji, lecz także do poważniejszych awarii mogących skutkować nawet pożarem obiektu (rysunek 6.).

Rysunek 2. Instalacja z mikrofalownikami w układzie 1 moduł PV = 1 mikroinwerter.

Na rysunku 2. pokazano system o rozproszonej przemianie energii prądu stałego na przemienny, gdzie dla każdej gałęzi instalacji zastosowano inny falownik, a na rysunku 3. do falownika podłączone są moduły generacyjne równolegle. Można zastosować również mikrofalowniki dedykowane dla poszczególnych pojedynczych paneli PV, tworzące z nimi praktycznie jedną całość, co pozwala mówić o modułach AC PV (fotowoltaicznych prądu zmiennego).

Rysunek 3. Fragment schematu instalacji fotowoltaicznej z wykorzystaniem mikrofalowników współpracujących z kilkoma modułami fotowoltaicznymi (Stilo Energy).

Rysunek 4. Praktyczne przykłady sytuacji, w których panele nie są oświetlone równomiernie.

Na rysunku 5.A pokazano możliwą drogę przepływu prądu wstecznego (wyrównawczego) w wyniku powstania zwarcia w jednej z gałęzi. Przypomnijmy, że prąd wyrównawczy występuje w sytuacji, gdy dwa źródła napięcia są połączone równolegle, a wartość napięcia tych źródeł różni się. Jeżeli rezystancja na drodze przepływu prądu wyrównawczego ma niewielką wartość będzie on duży i, w konsekwencji, może doprowadzić nawet do powstania pożaru. Oczywiście, potencjalna droga przepływu prądu wstecznego jest zabezpieczona wyłącznikami nadmiarowo-prądowymi lub bezpiecznikami, aby do takiej sytuacji nie dopuścić (widać to na rysunku 5.A).
Zadziałanie prawidłowo dobranych bezpieczników będzie skuteczne, ale spowoduje awaryjne odłączenie części lub nawet całej instalacji, czyli zmniejszenie lub nawet zatrzymanie produkcji energii elektrycznej. W wypadku lokalnego zabrudzenia lub zacienienia paneli skutki nieznacznego zróżnicowania napięcia mogą nie prowadzić do tak gwałtownej reakcji systemu, lecz występują częściej. Aby zapobiec awariom, mogącym w skutek nich powstać stosuje się diody i optymizery. Jednak takie rozwiązania należą, z jednej strony do klasy likwidacji skutków a nie przyczyn, a z drugiej do znacznego spadku mocy całej instalacji (rysunek 6.), co z punktu widzenia ekonomiki systemu jest nie do przyjęcia.

A	B

Rysunek 5. Droga przepływu prądu wstecznego w wyniku awarii w instalacji PV.

Z pomocą przychodzi tu zastosowanie mikrofalowników (rysunki 2., 3. i 5.B). Oczywiście zastosowanie rozproszonego systemu przemiany energii prądu stałego na zmienny jest z punktu inwestycyjnego droższe, lecz różnica ta zostaje już na początku po części skompensowana uproszczeniem instalacji o inne elementy jak np. optymizery. Ponadto mikrofalowniki likwidują niejako przyczynę nierównomierności generacji napięcia, a nie jego skutek. Ich zastosowanie wnosi też dodatkowe korzyści, jakimi są przykładowo lepsza ochrona i diagnostyka systemu oraz znaczne zmniejszenie i uproszczenie sterownicy głównej. Także napięcie stałoprądowej instalacji spada dzięki skróceniu gałęzi szeregowych paneli PV, a instalacja prądu stałego jest najbardziej niebezpieczna dla człowieka w wypadku potencjalnego porażenia.

Rysunek 6. Porównanie działania (reakcji) instalacji z mikroinwerterami i przekształtnikiem centralnym.

Obecnie oferuje się wiele rozwiązań falownikowych, od zupełnie scentralizowanych (jeden inwerter dla całej instalacji), jak i częściowo zdecentralizowanych, jak na rysunku 3., a także tak skonstruowanych, aby jeden mikrofalownik był połączony tylko z jednym panelem PV. Można też oczywiście dzielić instalację na części pod względem ich stałego poziomu nasłonecznienia (rysunek 4. – lewe zdjęcie). Dzięki przedstawionej wyżej możliwości elastycznego wyboru możliwe jest zoptymalizowanie instalacji dla danego przypadku realizacyjnego, i choć żadna z koncepcji nie jest pozbawiona wad, generalnie system wykorzystujący mikrofalowniki można na pewno uważać za nowocześniejszy, bardziej elegancki z punktu widzenia sztuki inżynierskiej (w tym niezawodności¹) i w większości przypadków korzystniejszy ekonomicznie.

Firma HELUKABEL posiada szereg przewodów i złączy o bardzo wysokiej niezawodności, nadających się do stosowania w każdego rodzaju instalacjach PV (w obwodach prądu stałego, zmiennego i sterowania, czy monitorowania tych instalacji), oczywiście również z mikroinwerterami. Do polecanych i sprawdzonych w licznych aplikacjach przez firmę STILO ENERGY produktów należą:

Wnioski:

• Mikrofalowniki zwiększają produkcję energii w instalacji PV nawet do 15% w stosunku do rozwiązań centralnych – przykładowo w przypadku awarii modułów wartość mocy nie jest dostosowywana do najsłabszego ogniwa (rysunek 6.).
• Podnoszą sprawność instalacji.
• Optymalizują przestrzeń w małych instalacjach – są montowane bezpośrednio na dachu, a więc nie zabierają miejsca np. w domu.
• Podnoszą bezpieczeństwo – w stałoprądowej instalacji napięcie nie przekracza 60 VDC, a z elementami montowanymi na dachu osoby postronne mają znacznie mniejszą styczność.
• Umożliwiają łatwe monitorowanie pracy (diagnostykę) pojedynczych modułów PV.
• Czynią ewentualną przyszłą rozbudowę instalacji znacznie łatwiejszą.
• Wbrew pozorom pozwalają na zmniejszenia liczby elementów instalacji.
• Zwiększają praktyczną niezawodność instalacji.
• Pomagają profesjonalnie rozwiązać problemy wynikające z nierównomiernego naświetlenia modułów (obiekty przesłaniające słońce – jak np. kominy, czy drzewa; różnorodne ułożenie modułów względem słońca przy skomplikowanych powierzchniach dachów).

1) O niezawodności mikrofalowników najlepiej świadczą deklaracje producentów o ich gwarancji poprawnego działania sięgające nawet 25 lat!

Autor artykułu
mgr inż. Marek Trajdos
(Konsultant ds. technicznych
HELUKABEL Polska)