Przetwornice solarne - co warto o nich wiedzieć?

Odnawialne źródła energii bez wątpienia stanowią przyszłość globalnej energetyki, co można zobaczyć już nawet w polskim krajobrazie – przemieszczając się po kraju, coraz częściej zauważymy rozrastające się farmy wiatrowe (m.in. w rejonie Gdańska), zaś panele słoneczne na dachach domów i budynków firmowych stały się niemal standardem i to we wszystkich regionach. Decydując się na inwestycję w fotowoltaikę, warto znać najważniejsze rodzaje i parametry techniczne stosowanych urządzeń – tylko w ten sposób można bowiem nie tylko uniknąć poważnych błędów (zagrażających bezpieczeństwu budynku i jego użytkowników, np. w wyniku zastosowania źle dobranego osprzętu niskiej jakości), ale także znacząco poprawić efektywność energetyczną instalacji. W artykule zajmiemy się tematyką przetwornic solarnych, stanowiących w istocie serce każdej instalacji fotowoltaicznej.

Inwerter solarny vs. przetwornica DC/AC

Napięcie generowane przez ogniwa słoneczne to rzecz jasna napięcie stałe (DC), choć jego wartość – zależnie od pory dnia oraz aktualnych warunków pogodowych – zmienia się w bardzo szerokim zakresie. Problem ten jest zresztą obecny w większości instalacji korzystających z OZE; w równym stopniu dotyczy także turbin wiatrowych oraz – w mniejszym lub większym – także innych technologii (m.in. opartych na pozyskiwaniu energii z fal czy pływów morskich). Aby móc skutecznie wykorzystać napięcie stałe z paneli słonecznych, konieczne jest przetworzenie go do postaci stosowanej we wszystkich domowych czy biurowych urządzeniach elektrycznych – napięcia przemiennego o wartości skutecznej 230 V(AC).

W dużym uproszczeniu można stwierdzić, że stosowane w tym celu inwertery solarne są odmianą przetwornic DC/AC – na podobnej zasadzie działają wszak m.in. przetwornice samochodowe (pozwalające na zasilanie urządzeń sieciowych energią z akumulatora) czy też falowniki, wbudowane w zasilacze awaryjne UPS. Istnieje jednak szereg różnic, zarówno pod względem konstrukcji, jak i oczekiwanych od inwerterów parametrów technicznych – bodaj największą jest zakres napięć wejściowych, który, jak już wspomnieliśmy, w przypadku paneli słonecznych może wahać się w bardzo szerokim zakresie (nieporównanie szerszym, niż ma to miejsce w zasilaczach UPS czy przetwornicach zasilanych z akumulatora samochodowego). Inwerter musi więc oferować wysoką sprawność energetyczną w możliwie jak największym przedziale napięć zasilających. Kolejnym wymaganiem, stawianym inwerterom solarnym, jest zdolność do pracy ciągłej – niezależnie od tego, czy prąd jest w danym momencie pobierany z paneli, czy też akumulatora podtrzymującego, inwerter musi cały czas realizować swoje zadanie, zarówno w dzień, jak i w środku nocy.

Rozwiązania off grid i on grid – przegląd dostępnych rozwiązań

Instalacje solarne można podzielić na dwie główne grupy, określane jako off grid i on grid. Te pierwsze pracują całkowicie niezależnie od dostępu do sieci elektroenergetycznej – mogą zatem zostać postawione „w szczerym polu”, z dala od istniejących zabudowań, co ma znaczenie np. w przypadku niektórych gospodarstw rolnych. Ich niebywałą zaletą jest całkowita autonomia energetyczna, istotna zarówno z finansowego punktu widzenia (brak opłat za zużycie energii od dużych operatorów), jak i z uwagi na stabilność sieci, co docenią przede wszystkim użytkownicy znajdujący się na obszarach narażonych na częste awarie i wynikające z nich przerwy w dostawie energii. Rzecz jasna, nie ma nic za darmo – instalacje off grid są zwykle dużo droższe, co wynika z konieczności zainwestowania w spory magazyn energii (baterie akumulatorów wraz z kontrolerami ładowania).

Wady tej pozbawione są z kolei instalacje on grid, które z powodzeniem łączą zalety OZE i konwencjonalnego dostępu do sieci energetycznej. W tym przypadku akumulatory nie są konieczne, choć oczywiście także warto o nich pomyśleć – pełnią one bowiem rolę awaryjnego źródła zasilania, na wypadek przerwy w dostawie energii „z zewnątrz” czy też częstych zapadów napięcia sieciowego (zdolnych do uszkodzenia delikatnych urządzeń elektronicznych, zwłaszcza sprzętu komputerowego). Istotną zaletą instalacji on grid jest także możliwość sprzedaży energii do sieci, dzięki czemu użytkownik staje się prosumentem, co wiąże się rzecz jasna z dodatkowymi profitami płynącymi z inwestycji w fotowoltaikę.

W kwestii wyboru inwertera solarnego, rodzaj docelowej instalacji ma duże znaczenie, wpływa bowiem na konstrukcję układów elektronicznych urządzenia oraz liczbę i rodzaj wejść oraz wyjść. Przykładowo, niektóre modele są wyposażone zarówno w główną przetwornicę DC/AC do obsługi paneli fotowoltaicznych, jak i regulator ładowania akumulatorów, dzięki czemu mogą pełnić zarówno rolę inwertera solarnego, jak i sporego systemu zasilania awaryjnego (UPS), zdolnego do podtrzymania całej instalacji domowej lub firmowej. Tego typu urządzenia, nazywane zwykle inwerterami hybrydowymi, są obecnie coraz popularniejsze z uwagi na dużą elastyczność oraz możliwość zastosowania różnych scenariuszy użycia.

Najważniejsze parametry przetwornic solarnych

W przypadku każdego inwertera solarnego, wśród podstawowych parametrów technicznych określanych przez producenta w dokumentacji, znajdują się oczywiście wartości mocy użytkowej (ciągłej) oraz maksymalnej mocy chwilowej, jaką mogą pobrać urządzenia stanowiące obciążenie wyjścia inwertera. Sprawność, wyrażona w procentach, określa poziom wykorzystania dostępnej energii źródłowej (im bliższa 100%, tym lepiej). W przypadku modeli posiadających port do podłączenia akumulatorów (magazynu energii), producenci określają także napięcie znamionowe (zwykle 12 V lub 24 V) oraz standardową i szczytową wartość prądu ładowania. Od strony paneli słonecznych istotne jest natomiast napięcie szczytowe, jakie może przyjąć inwerter w poszczególnych trybach pracy - i sumaryczna moc podłączonych paneli PV. Dla urządzeń elektronicznych (komputerów, aparatury pomiarowej, sprzętu RTV, itp.) ważne jest natomiast, czy inwerter oferuje na wyjściu falownika czystą sinusoidę, czy też przebiegi zniekształcone – im bliżej idealnej sinusoidy, tym lepsze warunki zasilania dla najbardziej wymagającego wyposażenia.

MPPT i PWM – bitwa na rynku technologii solarnych

Na koniec warto jeszcze zwrócić uwagę na rodzaj kontrolera ładowania, zastosowanego w inwerterze solarnym. Obecnie dostępne są dwa główne typy regulatorów: PWM oraz MPPT. Te pierwsze – jak można się domyślać – bazują na modulacji szerokości impulsów i pozwalają na „obcięcie” nadmiaru napięcia z paneli słonecznych, co może mieć miejsce głównie w słoneczne, bezchmurne dni. Niestety, niewykorzystana część energii bezpowrotnie przepada, przez co kontrolery PWM oferują zwykle dość przeciętną sprawność energetyczną w silnie zmiennych warunkach pogodowych. Wady tej pozbawione są natomiast kontrolery oparte na technologii MPPT, czyli – w dosłownym tłumaczeniu – śledzeniu punktu mocy maksymalnej. Metoda ta opiera się na monitorowaniu charakterystyki prądowo-napięciowej i wyborze takiego punktu pracy, który pozwoli możliwie najlepiej wykorzystać dostępną energię z panelu lub (częściej) zestawu paneli fotowoltaicznych. Za cenę nieco wyższego poziomu skomplikowania konstrukcji kontrolera (oraz zastosowanych w jego oprogramowaniu algorytmów), użytkownicy zyskują sprawność instalacji, wyższą o 10% do nawet 30% względem konwencjonalnych sterowników PWM.