MIKROINWERTERY W PRAKTYCE – WYDAJNOŚĆ MIKROINSTALACJI PV

Falownik centralny tzw. stringowy czy mikrofalowniki? Co wybrać? W internecie można znaleźć mnóstwo opinii, mnóstwo argumentów za jednym bądź drugim rozwiązaniem.

W tym artykule skoncentrujemy się tylko na kwestii wydajności instalacji. Do kwestii niezawodności i bezpieczeństwa, w tym pożarowego, odniesiemy się w innym miejscu.

Zdarzało mi się słyszeć opinie w rodzaju: “znajomy mówi, że fotowoltaika nie opłaca się, bo jego instalacja wyprodukowała w ciągu roku znacznie mniej prądu niż obiecane 1000 kWh na każdy zainstalowany kW. A przecież instalacja jest wykonana prawidłowo zgodnie z internetowymi poradnikami, wszystkie moduły są jednakowe, zamontowane pod tym samym kątem i w tym samym kierunku! Pochodzą z jednej partii produkcyjnej, w dodatku są to markowe moduły najwyższej jakości!” - tu często pada nazwa „ulubionej” marki i uwaga, że są one najlepsze/najdroższe na rynku - „ale to i tak się nie opłaca”.

Co jest tego powodem?

Każda instalacja fotowoltaiczna musi zawierać dwa główne elementy: moduły fotowoltaiczne oraz inwerter przetwarzający prąd stały produkowany przez moduły na prąd przemienny stosowany w sieci energetycznej. Typowy układ zawiera pewną ilość modułów połączonych szeregowo. Wyobraźmy sobie, że w takim szeregowym połączeniu, zawierającym przykładowo 20 modułów o mocy 300W, trafi się jeden, którego moc wskutek niedopasowania obniży się do 200W. Pozostałe moduły w szeregu, mówiąc w uproszczeniu, muszą do niego dostosować się pracując z mocą 200W co oznacza, że moc całego łańcucha spadnie o jedną trzecią. Jednym słowem najsłabszy moduł decyduje o mocy wszystkich pozostałych.

Przykładowe przyczyny zmniejszenia wydajności instalacji PV: cienie powodowane przez anteny, kominy, pobliskie drzewa, zabrudzenia, liście itp. Powodują one nierównomierną pracę modułów czyli wspomniane wcześniej niedopasowanie prądowe. Nie ma dużego problemu jeśli jest to chwilowe. Ale jeśli zjawisko będzie „wędrowało” kolejno po wszystkich modułach, przez cały dzień? Może za to być odpowiedzialna nie tylko antena na dachu ale także uporczywe, małe obłoczki albo złośliwe gołębie ;)

Odporne na to zjawisko są instalacje zbudowane z wykorzystaniem tzw. mikroinwerterów.

Dominuje pogląd, że w przypadku standardowego dachu, gdzie możliwy jest prosty montaż i nie przewiduje się występowania zacienienia należy zastosować klasyczny inwerter, tzw stringowy, bo instalacja będzie wystarczająco wydajna, dzięki niższemu kosztowi szybciej się zwróci, a spadek efektywności można skompensować choćby montując trochę więcej modułów.

W przypadku dużej farmy fotowoltaicznej na polu, gdzie nie brakuje miejsca na montaż większej o kilka procent ilości modułów, ma to uzasadnienie. Ale na dachu domu mieszkalnego o skomplikowanych kształtach liczy się każdy metr kwadratowy i po prostu często go brakuje. Okazuje się również, że brak stałego zacienienia i montaż jednakowych modułów wchodzących w skład stringu nie musi gwarantować jego pracy z maksymalną możliwą do uzyskania wydajnością.

Ogniwa fotowoltaiczne są urządzeniami analogowymi więc z założenia każde z nich ma trochę inne parametry. Zwykle w trakcie procesu produkcyjnego są one testowane aby odrzucić te o parametrach nie mieszczących się w założonych granicach. Oczywiście im mniejszą tolerancję przyjmiemy tym więcej będzie odrzutów a to winduje cenę wyrobu finalnego do granic absurdu. Potem i tak okazuje się, że moduły o prawie jednakowych parametrach stwierdzonych w idealnych warunkach laboratoryjnych, w warunkach rzeczywistych potrafią wykazywać duże różnice sprawności. Powodów tego jest wiele a najważniejsze z nich to:

- różne warunki pracy (np. temperatura),

- różnice w ilości docierającego światła z powodu stałego lub czasowego zacienienia całości lub części ogniwa, zanieczyszczeń, osadzającego się kurzu itp.

- niejednorodności procesów produkcyjnych (wciąż występują, mimo rozwoju technologii),

- nierównomierne starzenie się modułów i ich elementów,

- uszkodzenie modułu.

Wraz ze zmianą rzeczywistych warunków pracy parametry poszczególnych modułów zmieniają się w różny sposób (pamiętamy, że są to urządzenia analogowe), każdy ma trochę inną charakterystykę – niekoniecznie dokładnie liniową. Warunki idealne dla jednego modułu mogą być mniej lub bardziej niesprzyjające dla modułu sąsiedniego i odwrotnie. Jak więc zapewnić każdemu modułowi najlepsze, optymalne warunki? Jak maksymalnie wykorzystać możliwości każdego modułu w jego indywidualnych warunkach pracy, na które nie mamy żadnego wpływu?

Odpowiedź może być tylko jedna: zapewniając każdemu modułowi indywidualny dobór optymalnych warunków pracy. Można to tylko zapewnić stosując urządzenia, które optymalizują pracę każdego modułu z osobna, niezależnie od innych. Są to tzw mikroinwertery montowane bezpośrednio przy modułach i przeznaczone do obsługi 1, 2 lub 4 modułów.

W celu weryfikacji, czy opłaca się stosować mikroinwertery tam gdzie teoretycznie powinien wystarczyć zwykły inwerter stringowy, postanowiliśmy przyjrzeć się dokładniej jednej z naszych instalacji. Wybrana została instalacja składająca się z 20 modułów zainstalowanych na jednej połaci dachu o niewielkim stopniu nachylenia. Są to nowe moduły znanego producenta z czołówki zestawienia Tier-1, z jednej partii produkcyjnej. Na dachu nie ma kominów, anten, w bezpośrednim sąsiedztwie nie ma drzew ani podobnych przeszkód. Dane w tabelach pochodzą z systemu monitoringu, który jest jedną z zalet mikroinwerterów. Umożliwia monitoring pracy i uzyskanie chwilowych danych dotyczących pracy każdego modułu co nie jest możliwe w przypadku systemu stringowego podającego jedynie dane zbiorcze dla całego stringu.

Wiersz „suma mocy” w tabeli nr 1 zawiera dane obrazujące sumę mocy generowanej przez wszystkie panele (tabela 2) zaś wiersz „moc stringu” zawiera wartość mocy obliczoną dla przypadku, gdyby te same panele w danej chwili były połączone w szereg i pracowały w systemie stringowym. Różnica mocy generowanej przez takie systemy podana jest w wierszu „różnica mocy” tej samej tabeli.

Ostateczną interpretację wyników pozostawiamy Czytelnikowi choć naszym zdaniem uzasadniają one stosowanie mikroinwerterów w przypadku małych i średnich instalacji, np. w zastosowaniach domowych, gdyż sytuacja podobna do przedstawionej w tabeli może może trwać przez znaczną część czasu pracy instalacji. Tak więc w ciągu roku instalacja o tej samej mocy zainstalowanej modułów ale wyposażona w mikroinwertery może wyprodukować nawet o 20% więcej energii.

Dla instalacji o mocy kilku kW koszty obu rodzajów instalacji są porównywalne, w przypadku najmniejszych instalacji wersja mikroinwerterowa jest nawet tańsza.

Rys.1. Dane z monitoringu rzeczywistej instalacji

Dane z monitoringu rzeczywistej instalacji, zmienne warunki pogodowe