Sprawność falowników – co to jest?

Wydajność fotowoltaiczna i sprawność falowników określone są jako stosunek elektrycznej mocy wejściowej prądu stałego do elektrycznej mocy wyjściowej prądu zmiennego, DC/AC. Dla otrzymania wysokiego stosunku DC/AC należy wziąć pod uwagę szczególne warunki projektowe. Główne czynniki to nasłonecznienie, straty systemu, wydajność i żywotność falownika, zakres wejściowego napięcia roboczego falownika, kąt montażu modułu, itp.

Sprawność falowników – kluczowe czynniki

Miejsce a nasłonecznienie

Zerknij na zamieszczoną poniżej mapę nasłonecznienia (źródło: Global Solar Atlas). Widzimy, że nasłonecznienie różni się w zależności od miejsca, a jego średnia roczna wartość waha się od 365 do 3,652kWh/m2. Regiony, które mogą pochwalić się najwyższymi poziomami nasłonecznienia to:

• Australia,
• Meksyk,
• Ameryka Środkowa,
• północne Chile,
• kraje saharyjskie,
• Republika Południowej Afryki,
• Namibia,
• Półwysep Arabski,
• południowo-zachodnie stany USA.

Dlatego też miejsca te najlepiej nadają się do budowy elektrowni słonecznych. W związku z tym, aby osiągnąć taki sam poziom produkcji mocy elektrycznej systemów PV dla różnych obszarów o różnym stopniu nasłonecznienia, musielibyśmy modyfikować stosunek DC/AC. Przy czym dla obszarów o niskim nasłonecznieniu musiałby on być większy.

Straty w systemie fotowoltaicznych

W instalacji PV panele fotowoltaiczne przetwarzają energię słoneczną, która kablami prowadzona jest najpierw do skrzynki przyłączowej, a następnie do falownika. Następnie kablem AC trafia do skrzynki przyłączowej prądu zmiennego, a potem do sieci. Na każdym etapie tego procesu występują straty mocy. Zazwyczaj straty prądu stałego wynoszą około 7-11%. Straty falownika 1-2%, a całkowite straty całego układu między  8 a 13% (nie licząc strat transformatora i kabla za nim). W związku z tym, jeśli moc paneli fotowoltaicznych jest taka sama, jak wydajność falownika, to faktyczna wydajność falownika osiąga około 90% wygenerowanej mocy. Wpływ na to mają straty w systemie. Konkludując, nawet przy najlepszym nasłonecznieniu, falownik nie może przetworzyć całej mocy.

Wydajność falowników

Wydajność falowników nie jest stała. Możemy tracić moc na złączach i z uwagi na różnice w polu magnetycznym falowników. Przy małej mocy wyjściowej wydajność jest stosunkowo niska. Najwyższa wydajność jest osiągana wtedy, gdy moc wynosi od 40% do 60% znamionowej mocy wyjściowej. Wraz ze wzrostem mocy ponad 60%, wydajność ponownie maleje. Dlatego też, aby uzyskać najlepszą wydajność systemu, zaleca się utrzymywać moc w zakresie od 40% do 60% mocy wyjściowej falownika.

Żywotność falowników

Falownik fotowoltaiczny jest urządzeniem elektronicznym, a jego wydajność bez wątpienia jest silnie powiązana z temperaturą pracy. Wzrost temperatury poszczególnych elementów o 10°C pociąga za sobą wzrost częstotliwości występowania usterek o 50%. Dotyczy to takich elementów, jak kondensatory, wentylatory i przekaźniki. Z drugiej strony, temperatura pracy jest związana z mocą. Według statystyk żywotność falownika pracującego przy 80-100% mocy wyjściowej jest o około 0.2% niższa, w porównaniu do falownika pracującego przy 40-60% mocy wyjściowej.

Zakres napięć falowników a najlepsza wydajność

Przede wszystkim wydajność falownika jest najwyższa wtedy, gdy pracuje on na swoim nominalnym napięciu. W przypadku falownika jednofazowego przy napięciu 230V AC, nominalne napięcie prądu stałego wynosi około 360V, a w przypadku falownika trójfazowego przy napięciu 400V AC. Nominalne napięcie prądu stałego wynosi około 650V. Dla przykładu, dla falownika 3kW wykorzystującego panele o mocy 260W z napięciem roboczym sterownika MPPT o wartości 30,5V, najlepsza konfiguracja to 12 paneli na ciąg ze sterownikiem MPPT. W związku z tym uzyskujemy wtedy wartość napięcia roboczego równą około 366V i moc PV równą 3,12kW. Dla falownika o mocy 30kW wykorzystującego panele o mocy 260W najlepsza konfiguracja to 21 paneli na ciąg ze sterownikiem MPPT o wartości napięcia roboczego równej około 640,5V. Łączna ilość paneli to 126szt. a całkowita moc 32,76kW.

Sprawność falowników – podsumowanie i wnioski

Reasumując, system osiąga najwyższą sprawność, a żywotność falownika wydłuża się wtedy, gdy moc PV wynosi pomiędzy 40-60% mocy znamionowej falownika. W celu optymalizacji wydajności falownika należy dostosować moce PV i falownika między nimi, a następnie, w zależności od poziomu nasłonecznienia.

Dla obszarów, gdzie średnie nasłonecznienie przekracza 5 godzin, a czas produkcji energii szacuje się na około 10 godzin dziennie. Stosunek DC/AC może wynosić 1 a średnia moc 50% mocy nominalnej. Natomiast na obszarach, gdzie średni czas nasłonecznienia wynosi około 4 godzin, a czas produkcji energii szacuje się na 9 godzin dziennie (Polska). Stosunek DC/AC może wynosić 1,1, a średnia moc 49% mocy nominalnej (4*11/9). Dla obszarów, gdzie średni czas nasłonecznienia wynosi 3 godziny, czas produkcji energii szacuje się na około 8 godzin dziennie. Stosunek DC/AC może wynosić wtedy 1,3 a średnia moc 48,75% mocy nominalnej.

Sprawność falowników – trudne przypadki instalacji

Niektóre z modułów fotowoltaicznych nie zawsze będą skierowane na południe. Z pewnością będzie to miało miejsce w przypadku instalacji fotowoltaicznej na wzgórzu z panelami o różnych kierunkach ułożenia. Bez wątpienia sytuacja ta wystąpi także w przypadku technicznie wymagających, rozproszonych instalacji dachowych. Sytuacje takie występują na przykład wtedy, gdy kąt nachylenia dachu nie jest optymalny.

Konfiguracja falownika może być jednak dobrowolnie dopasowana do każdej sytuacji. Falowniki marki Growatt idealnie sprawdzą się w najtrudniejszych instalacjach zarówno na gruncie, jak i dachu.